Name: 3d modeling of dendritic spines with synaptic plasticity
Uploaded: 2020-05-18T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about 3D Modeling of Dendritic Spines with Synaptic Plasticity at JoVE.com

Bu çalışma kısmen Sao Paulo Eyalet Bilim Vakfı (FAPESP) hibe #2015/50122-0 ve IRTG-GRTK 1740/2, IBM/FAPESP hibe #2016/18825-4 ve FAPESP hibe #2018/06504-4 tarafından desteklenmiştir.

NOT: Bu protokolde kullanılan terimler sözlüğü için lütfen Ek dosya 1'e bakın.
1. Blender, CellBlender ve MCell yükleyin
NOT: Bu protokol MCell, Blender ve Cell Blender'ın yüklenmesini gerektirir.
<ol><li>Yazılımı MCell ana sayfasına (https://mcell.org/tutorials_iframe.html) indirin ve yükleyin. Sayfanın üst kısmındaki indirmelere gidin ve ardından yazılımı tercih edilen ortama (örneğin Linux, Mac OSX veya Windows) indirm...

<ol>
	<li>Sweatt, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+plasticity+and+behavior+-+sixty+years+of+conceptual+advances.">Neural plasticity and behavior - sixty years of conceptual advances.</a> Journal of Neurochemistry. 139, 179-199 (2016).</li><li>Heine, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+mobility+of+postsynaptic+AMPARs+tunes+synaptic+transmission.">Surface mobility of postsynaptic AMPARs tunes synaptic transmission.</a> Science. 320 (5873), 201-205 (2008).</li><li>Buonarati, O. R., Hammes, E. A., Watson, J. F., Greger, I. H., Hell, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+of+postsynaptic+localization+of+AMPA-type+glutamate+receptors+and+their+regulation+during+long-term+potentiation.">Mechanisms of postsynaptic localization of AMPA-type glutamate receptors and their regulation during long-term potentiation.</a> Science Signaling. 12 (562), 6889 (2019).</li><li>Nair, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Super-Resolution+Imaging+Reveals+That+AMPA+Receptors+Inside+Synapses+Are+Dynamically+Organized+in+Nanodomains+Regulated+by+PSD95.">Super-Resolution Imaging Reveals That AMPA Receptors Inside Synapses Are Dynamically Organized in Nanodomains Regulated by PSD95.</a> Journal of Neuroscience. 33 (32), 13204-13224 (2013).</li><li>Cz&#246;nd&#246;r, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unified+quantitative+model+of+AMPA+receptor+trafficking+at+synapses.">Unified quantitative model of AMPA receptor trafficking at synapses.</a> Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (9), 3522-3527 (2012).</li><li>Triesch, J., Vo, A. D., Hafner, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Competition+for+synaptic+building+blocks+shapes+synaptic+plasticity.">Competition for synaptic building blocks shapes synaptic plasticity.</a> eLife. 7, 37836 (2018).</li><li>Earnshaw, B. A., Bressloff, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biophysical+model+of+AMPA+receptor+trafficking+and+its+regulation+during+long-term+potentiation/long-term+depression.">Biophysical model of AMPA receptor trafficking and its regulation during long-term potentiation/long-term depression.</a> Journal of Neuroscience. 26 (47), 12362-12373 (2006).</li><li>Earnshaw, B. A., Bressloff, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+the+role+of+lateral+membrane+diffusion+in+AMPA+receptor+trafficking+along+a+spiny+dendrite.">Modeling the role of lateral membrane diffusion in AMPA receptor trafficking along a spiny dendrite.</a> Journal of Computational Neuroscience. 25 (2), 366-389 (2008).</li><li>Antunes, G., Roque, A. C., Simoes-de-Souza, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stochastic+Induction+of+Long-Term+Potentiation+and+Long-Term+Depression.">Stochastic Induction of Long-Term Potentiation and Long-Term Depression.</a> Scientific Reports. 6, 30899 (2016).</li><li>Kotaleski, J. H., Blackwell, K. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+the+molecular+mechanisms+of+synaptic+plasticity+using+systems+biology+approaches.">Modelling the molecular mechanisms of synaptic plasticity using systems biology approaches.</a> Nature Reviews Neuroscience. 11 (4), 239-251 (2010).</li><li>Bhalla, U. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+computation+in+neurons:+a+modeling+perspective.">Molecular computation in neurons: a modeling perspective.</a> Current Opinion in Neurobiology. 25, 31-37 (2014).</li><li>Cz&#246;nd&#246;r, K., Thoumine, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biophysical+mechanisms+regulating+AMPA+receptor+accumulation+at+synapses.">Biophysical mechanisms regulating AMPA receptor accumulation at synapses.</a> Brain Research Bulletin. 93, 57-68 (2013).</li><li>Bromer, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-term+potentiation+expands+information+content+of+hippocampal+dentate+gyrus+synapses.">Long-term potentiation expands information content of hippocampal dentate gyrus synapses.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (10), 2410-2418 (2018).</li><li>Antunes, G., Simoes-de-Souza, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=AMPA+receptor+trafficking+and+its+role+in+heterosynaptic+plasticity.">AMPA receptor trafficking and its role in heterosynaptic plasticity.</a> Scientific Reports. 8 (1), 10349 (2018).</li><li>Kerr, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast+monte+carlo+simulation+methods+for+biological+reaction-diffusion+systems+in+solution+and+on+surfaces.">Fast monte carlo simulation methods for biological reaction-diffusion systems in solution and on surfaces.</a> SIAM Journal on Scientific Computing. 30 (6), 3126 (2008).</li><li>Czech, J., Dittrich, M., Stiles, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+Creation,+Monte+Carlo+Simulation,+and+Visualization+of+Realistic+3D+Cell+Models.">Rapid Creation, Monte Carlo Simulation, and Visualization of Realistic 3D Cell Models.</a> Systems Biology. 500, 237-287 (2009).</li><li>Stiles, J., Bartol, T., De Schutter, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monte+Carlo+Methods+for+Simulating+Realistic+Synaptic+Microphysiology+Using+MCell.">Monte Carlo Methods for Simulating Realistic Synaptic Microphysiology Using MCell.</a> Computational Neuroscience. , (2000).</li><li>Jorstad, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NeuroMorph:+A+Toolset+for+the+Morphometric+Analysis+and+Visualization+of+3D+Models+Derived+from+Electron+Microscopy+Image+Stacks.">NeuroMorph: A Toolset for the Morphometric Analysis and Visualization of 3D Models Derived from Electron Microscopy Image Stacks.</a> Neuroinformatics. 13 (1), 83-92 (2015).</li><li>Antunes, G., Roque, A. C., Simoes de Souza, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modelling+intracellular+competition+for+calcium:+kinetic+and+thermodynamic+control+of+different+molecular+modes+of+signal+decoding.">Modelling intracellular competition for calcium: kinetic and thermodynamic control of different molecular modes of signal decoding.</a> Scientific Reports. 6, 23730 (2016).</li><li>Antunes, G., Roque, A. C., Simoes-de-Souza, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+mechanisms+of+detection+and+discrimination+of+dynamic+signals.">Molecular mechanisms of detection and discrimination of dynamic signals.</a> Scientific Reports. 8 (1), 2480 (2018).</li><li>Hoops, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=COPASI--a+COmplex+PAthway+SImulator.">COPASI--a COmplex PAthway SImulator.</a> Bioinformatics. 22 (24), 3067-3074 (2006).</li><li>Faeder, J. R., Blinov, M. L., Hlavacek, W. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rule-based+modeling+of+biochemical+systems+with+BioNetGen.">Rule-based modeling of biochemical systems with BioNetGen.</a> Methods in Molecular Biology. 500, 113-167 (2009).</li><li>Gillespie, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exact+stochastic+simulation+of+coupled+chemical+reactions.">Exact stochastic simulation of coupled chemical reactions.</a> Journal of Physical Chemistry. 81 (25), 21 (1977).</li><li>Anggono, V., Huganir, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+of+AMPA+receptor+trafficking+and+synaptic+plasticity.">Regulation of AMPA receptor trafficking and synaptic plasticity.</a> Current Opinion in Neurobiology. 22 (3), 461-469 (2012).</li><li>Matsuda, S., Launey, T., Mikawa, S., Hirai, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Disruption+of+AMPA+receptor+GluR2+clusters+following+long-term+depression+induction+in+cerebellar+Purkinje+neurons.">Disruption of AMPA receptor GluR2 clusters following long-term depression induction in cerebellar Purkinje neurons.</a> EMBO Journal. 19 (12), 2765-2774 (2000).</li><li>Ahmad, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Postsynaptic+Complexin+Controls+AMPA+Receptor+Exocytosis+during+LTP.">Postsynaptic Complexin Controls AMPA Receptor Exocytosis during LTP.</a> Neuron. 73 (2), 260-267 (2012).</li><li>Sheng, M., Hoogenraad, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+postsynaptic+architecture+of+excitatory+synapses:+a+more+quantitative+view.">The postsynaptic architecture of excitatory synapses: a more quantitative view.</a> Annual Review of Biochemistry. 76, 823-847 (2007).</li></ol>

Bu makalede, dendritik dikenler ile dendritik segmentte reaksiyon-difüzyon sinaptik plastisite süreçlerinin modelleştirilmesi için 3D meshes yapımı için bir yöntem sunar. Geliştirilen model birkaç dendritik dikenleri ile dendritik segment içerir. AMPAPER'lerin sinaptik çapalarla lateral difüzyonu ve reaksiyonu bazal dinamiğin simülasyonuna olanak sağlar. Protokoldeki kritik adımlar omurga kafasının üst kısmı(Şekil 1, Şekil 2, <strong cla...

Sinaptik plastisite öğrenme ve bellek1ile ilişkili olmuştur. Sinaptik plastisite, uzun vadeli potentiation gibi (LTP) ve uzun vadeli depresyon (LTD), sırasıyla ekleme ve AMPA reseptörlerinin kaldırılması ile ilişkilidir (AMPA) ve sinaptik membran dışında2. AMPAR sinapsları dendritik dikenler3olarak adlandırılan küçük hacimli yapıların üzerinde yer alır. Her omurga postsinaptik membranda postsinaptik yoğunluk (PSD) adı verilen protein yoğun bir bölge içerir. PSD'deki çapa proteinleri sinaptik bölgede AMPA'ları yakalar. Tek bir sinaps içinde AMPARs birkaç kopya vardır ve ticareti ve dendritik dikenler diğer türler ile AMPAR reaksiyonu bir stokastik süreç2,4. Dendritik dikenler5,6,,7,8sinaptik reseptör ticareti çeşitli kompartman modelleri vardır. Ancak dendritlerin ve dendritik omurgalarının 3Boyutlu yapılarında sinaptik plastisite ile ilişkili AMPA'ların ticaretinin stokastik hesaplamamodellerinin eksikliği vardır.
Hesaplamalı modelleme sinaptik plastisite9oluşumu sırasında dendritik dikenlerde AMPAPER reaksiyon-difüzyon gibi karmaşık sistemlerin dinamikleri altında yatan mekanizmaları araştırmak için yararlı bir araçtır 9,10,11,12. Model karmaşık senaryoları görselleştirmek için kullanılabilir, hassas parametreleri değişen ve deneysel kontrol etmek zor veya imkansız birçok değişken içeren bilimsel koşullarda önemli tahminler yapmak12,13. Bir hesaplama modelinin ayrıntı düzeyini tanımlamak, modellenen olgu hakkında doğru bilgi edinmede temel bir adımdır. İdeal bir hesaplama modeli, hesaplama açısından engelleyici olmadan doğal fenomenlerin temel özelliklerini yakalamak için karmaşıklık ve basitlik arasındaki hassas bir dengedir. Çok ayrıntılı olan hesaplama modelleri hesaplamak için pahalı olabilir. Öte yandan, kötü ayrıntılı sistemler, fenomenin dinamiklerini yakalamak için gerekli olan temel bileşenlerden yoksun olabilir. Dendritik dikenlerin 3B modellemesi 2B ve 1D'den hesaplama açısından daha pahalı olmasına rağmen, sistemin işleyişi hakkında bilgi edinmek için 3B düzeyde modellemenin gerekli olduğu, zaman ve 3B alanda tepki veren ve difüzyon yapan birçok doğrusal olmayan değişkenin yer aldığı karmaşık sistemler gibi koşullar vardır. Ayrıca, karmaşıklığı dikkatle daha düşük boyutlu bir modelin temel özelliklerini korumak için azaltılabilir.
Belirli bir türün küçük bir hacim içinde birkaç kopyası olan stokastik bir sistemde, sistemin ortalama dinamiği büyük bir popülasyonun ortalama dinamiklerinden sapır. Bu durumda, reaksiyon-difüzyon parçacıkların stokastik hesaplamalı modelleme gereklidir. Bu çalışma, 3D dendritik dikenlerde ampaper birkaç kopya stokstik modelleme reaksiyon-difüzyon için bir yöntem tanıttı. Bu yöntemin amacı, dendritik dikenler ve sinapsları ile dendritik bir segmentin 3Boyutlu hesaplama modeli geliştirmektir.
Yöntem modeli sayısal olarak çözmek için yazılım MCell kullanır, 3D meshes oluşturmak için Blender, ve CellBlender oluşturmak ve MCell simülasyonları görselleştirmek için, 3D meshes moleküllerin spatiotemporal reaksiyon-difüzyon dahil14,15,16. Blender meshes oluşturulması için bir paketi ve CellBlender temel yazılım Blender için bir eklenti. MCell tek moleküllerin reaksiyon-difüzyon için bir Monte Carlo simülatörü17.
Bu yöntemin kullanımının arkasındaki mantık dendritik dikenlerin mikrofizyolojik ortamda bu fenomenin daha iyi anlaşılması için sinaptik plastisite modelleme oluşur14. Özellikle, bu yöntem homosinaptik potansiyasyon simülasyonu sağlar, homosinaptik depresyon, ve dendritik dikenler arasında heterosinaptik plastisite14.
Bu yöntemin özellikleri dendrite ve sinapsların 3D geometrik yapısı modelleme içerir, rasgele yürüyüş ile difüzyon, ve sinaptik plastisite ile ilgili moleküllerin kimyasal reaksiyonlar. Bu yöntem, hipotezleri sınamak ve çok sayıda değişkeniçeren karmaşık doğrusal olmayan bir sistemin işleyişi hakkında tahminlerde bulunmak için zengin ortamlar oluşturma avantajı sağlar. Buna ek olarak, bu yöntem sadece sinaptik plastisite nin incelenmesi için değil, aynı zamanda genel olarak 3Boyutlu kafes yapılarında moleküllerin stokastik reaksiyon-difüzyon çalışmaları için de uygulanabilir.
Alternatif olarak, dendritik yapıların 3D meshes doğrudan Blender elektron mikroskop seri rekonstrüksiyon18 inşa edilebilir.18 Seri rekonstrüksiyonlara dayalı metaşalar 3B yapılar sağlasa da, deneysel verilere erişim her zaman mevcut değildir. Böylece, mevcut protokolde açıklandığı gibi temel geometrik yapılardan uyarlanmış meshes yapımı, dendritik dikenler ile özelleştirilmiş dendritik segmentler geliştirmek için esneklik sağlar.
Başka bir alternatif hesaplama yöntemi normal bir hacim9,10,,11,19,,20,21,22iyi karışık reaksiyonların toplu simülasyonudur.22 Toplu simülasyonlar tek bir iyi karma hacim23içinde birçok türün reaksiyonlarını çözmede çok verimlidir, ancak toplu yaklaşım yüksek çözünürlüklü 3D örgü birçok iyi karışık voxels içinde moleküllerin reaksiyon-difüzyon çözmek için son derece yavaştır. Öte yandan, bireysel parçacıkların reaksiyon-difüzyon MCell simülasyonları kullanarak mevcut yöntem yüksek çözünürlüklü 3D meshes15verimli çalışır.
Bu yöntemi kullanmadan önce, incelenen fenomenin 3Boyutlu bir kafeste stoksetik reaksiyon-difüzyon yaklaşımı gerektirip gerektirmediğini sormak gerekir. Eğer fenomenin az sayıda kopyası varsa (1.000'den az) dendritik dikenler gibi küçük hacimli bölmeleri olan karmaşık geometrik bir yapıda difüzyon yapan reaksiyon türlerinin en az bir kopyası (1.000'den az) varsa, 3Boyutlu meshelerde reaksiyon-difüzyonun stokastik modellemesi uygulama için uygundur.
Sinaptik plastisite ile dendritik dikenler içeren bir dendritik segmentin 3D hesaplamamodeli oluşturmak için gerekli birkaç adım vardır. Ana adımlar modelin inşası için uygun yazılımın kurulumu, birden fazla diken oluşturmak için bir şablon olarak kullanılacak tek bir dendritik omurga nın inşası ve birden fazla dendritik dikenile bağlı bir dendritik segmentoluşturulmasıdır. Sinaptik plastisiteyi modellemek için adım, PSD bölgesine çapa, dendritik segmente ve dendritik dikenlere AMPA'lar eklemekten oluşur. Daha sonra, PSD ve AMPAR'larda bulunan çapalar arasındaki kinetik reaksiyonlar, sinaptik bölgede AMPAR'ları tuzağa düşüren karmaşık çapa-AMPAR türleri üretmek için tanımlanır. Sırasıyla, çapa ve sinaptik AMPARs arasındaki yakınlık artış ve azalma LTP ve LTD sürecini oluşturmak.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Blender</td>
			<td>Blender Foundation</td>
			<td></td>
			<td>https://www.blender.org/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CellBlender</td>
			<td>University of Pittsburgh</td>
			<td></td>
			<td>https://mcell.org/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mcell</td>
			<td>University of Pittsburgh</td>
			<td></td>
			<td>https://mcell.org/</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

3d modeling of dendritic spines with synaptic plasticity

Üç boyutlu (3D) geometride kimyasal türlerin difüzyon ve reaksiyonlarının hesaplamalı modellemesi, dendritik dikenlerde sinaptik plastisite nin mekanizmalarını anlamak için temel bir yöntemdir. Bu protokolde, dendritler ve dendritik dikenlerin ayrıntılı 3D yapısı CellBlender ile blender yazılımı üzerinde meshes ile modellenmiştir. Sinaptik ve ekstrasinaptik bölgeler örgü üzerinde tanımlanır. Daha sonra, sinaptik reseptör ve sinaptik çapa molekülleri difüzyon sabitleri ile tanımlanır. Son olarak, sinaptik reseptörler ve sinaptik çapalar arasındaki kimyasal reaksiyonlar dahil edilir ve hesaplama modeli mcell yazılımı ile sayısal olarak çözülür. Bu yöntem, 3Boyutlu geometrik yapıdaki her bir molekülün spatiotemporal yolunu tanımlar. Bu nedenle, sinaptik plastisite oluşumu sırasında dendritik dikenlerin içinde ve dışında sinaptik reseptörlerin ticaretini incelemek çok yararlıdır. Bu yöntemin bir sınırlama moleküllerin yüksek sayıda simülasyonların hızını yavaşlatAn olmasıdır. Dendritik dikenlerin bu yöntemle modellanması, tek dikenler içinde homosinaptik potansiyasyon ve depresyon un ve komşu dendritik dikenler arasındaki heteroskopip plastisitenin incelenmesine olanak sağlar.

Bu sonuçlar, omurga başı ve omurga boyunlu dendritik bir omurgayı simüle eden 3Boyutlu bir kafesin inşası için gerekli adımları sağlar(Şekil 1'den Şekil 4'e). Buna ek olarak, ampaper14 heteroskopip plastisite çalışması için tek bir dendritik segment14(Şekil 5)birden fazla dendritik diken ler takılabilir. Omurga kafasının üstündeki PSD(Şekil 6),sinaptik ç...

Watch this Scientific Journal Video about 3D Modeling of Dendritic Spines with Synaptic Plasticity at JoVE.com

3D Modeling of Dendritic Spines with Synaptic Plasticity

Protokol, sinaptik plastisiteyi modellemek için dendritik dikenler içeren dendritik segmentin üç boyutlu (3D) bir modelini geliştirir. Yapılı mesh CellBlender ve MCell ile yazılım programı Blender kullanarak uzun vadeli sinaptik plastisite AMPA reseptör ticareti hesaplamalı modelleme için kullanılabilir.

Sinaptik Plastisite ile Dendritik Dikenlerin 3D Modellemesi

Computational modeling of diffusion and reaction of chemical species in a three-dimensional (3D) geometry is a fundamental method to understand the ...

Füzyon yoluyla kimyasal türlerin reaksiyonunun hesaplamalı 3D Geometrik Modellemesi. dendritik omurganın içinde ve dışında reseptör ticareti mekanizmalarının incelenmesinde kullanılan yararlı bir yöntem olup sinaptik plastisite yapıyor. Bu teknik, çok sayıda değişkene sahip doğrusal olmayan sistemler hakkında hipotezler ve projeksiyonlar yapmak için zengin bir ortam yaratma avantajına sahiptir.Değiştirilmiş bir küre kullanarak bir omurga kafası ve bir omurga boyun ile tek bir dendritik omurga bir örgü oluşturmak için. İlk blender'ı açın. Cell Blender zaten yüklü ve tuş takımı 5 tuşuna basın, ortogonal görünüm perspektifinden değiştirmek için.Ön görünüme göre değiştirmek için 1'e basın ve imleci ortalamak için Shift C tuşuna basın. Omurga kafası oluşturmak için Mesh paletini açmak için Shift A tuşuna basın ve Kafes'i seçin. UV Küreseçin ve UV Küre eklemek, 0,25 ve 32 halkaları boyutunu ayarlayın.Blender'ı Nesne modundan Edit moduna geçmek için kafanın üst kısmını düz yapmak için Sekme'ye basın. Kürenin ilk üç çeyreğini seçmek için B tuşuna basın ve Sil tuşuna basın, Vertices'i seçin ve vertices'i kaldırmak için Enter'u seçin. B tuşuna basın ve kürenin üst kısmını seçin.E, S, 0 ve Enter tuşuna basın ve hala seçili olan tepe lerin üst kısmını mühürleyin. Ve mavi oku aşağı hareket ettirin ve omurga kafasının üst kısmına hizala. Omurganın üst kısmındaki kafes çözünürlüğünü artırmak için, Alet ve bıçak seçin ve üst merkezi etrafında bir daire kesmek için bıçak kullanın.Ardından, üst merkezin etrafında dört eşmerkezli daire oluşturmak için Araç ve Döngü kesimini ve kaydırmasını seçin. Omurga boyun oluşturmak için B tuşuna basın ve örgü alt seçin. Vertices ve B tuşuna basın ve kafesin alt kısmını seçin.E ve Z tuşuna basın ve eksi 0,45 mikro metrede Z ekseni konumuna bir ekstrüzyon oluşturmak için eksi 0,45'i seçin. Kafesi M-hücreli ile uyumlu hale getirmek için ctrl T tuşuna basın ve Alet ve Kaldır çiftlerini seçin. Birden fazla omurga Dendrite oluşturmak için Mesh paletini açmak ve Mesh ve Silindir'i seçmek için Shift A tuşuna basın.Silindir Ekle menüsünde, yarıçapı 0,3 mikrometreye ve derinliği iki mikrometreye ayarlayın ve Enter tuşuna basın. Silindirin ön görünümünü elde etmek için 3 tuşuna basın ve kafesi saydam hale getirmek için Z tuşuna basın.Silindirin iç omurga tabanını taşımak için mavi normal ok kullanın ve Dendrite seçmek için sağ tıklayın. Değiştirici ve Değiştirici Ekle'yi seçin ve Boolean, İşlem Birliği'ni seçin ve Nesne Omurgası'nı seçin. Dendrite ve omurga ortak bir örgü oluşturmak için Uygula'yı tıklatın.Sonra yalıtılmış omurganın örgü seçmek için fareyi kullanın, fizyolojik bir pozisyonda her yeni omurga eklemek için pozisyon ve açı değiştirerek. AMPAR oluşturmak için Moleküller'i seçin ve yeni bir molekül ekleyin. Adını AMPAR olarak değiştirin ve molekül türünü Yüzey molekülü olarak değiştirin.Daha sonra difüzyon sabitini 0,05 çarpı 10'u saniyede sekizinci santimetre kareye değiştirin. AMPAR'lara bağlı çapaları, bazal durum sırasında PSD1'de çizmek için Çizim Çıkış Ayarları'nı açın ve molekülleri tanımlamak için basın. Daha sonra Molekülü Anchor_AMPAR, Dendrite Nesnesi'ni ve Bölgeyi PSD1'e ayarlayın.Bazal Durum simülasyonu çalıştırmak için Çalıştır simülasyonunu seçin. Ve yinelemeleri 30,000'e ve zaman adımını eksi üç saniyeye kadar 10'a ayarlayın. Dışa Aktar ve Çalıştır'ı tıklatın ve simülasyonun bitmesini bekleyin.Simülasyonun sonunda, Görselleştirme Verilerini Yeniden Yükle, Animasyon oynat, Çıkış Ayarını Çiz ve mekansal zamansal sonuçları görselleştirmek için çizim i seçin. Homosinaptik potentiation koşulu çalıştırmak için Molekül Yerleştirme ve rel_anchorLTP_psd1 seçin. rel_anchorLTP_psd1 seçin ve Miktarı 200 olarak Sürüm olarak değiştirin.Ardından Miktar'ı Serbest Bırakma olarak sıfıra değiştirin. rel_anchor_psd1'ı seçin. Miktarı sıfıra çıkarmak ve simülasyonu az gösterildiği gibi çalıştırmak için değiştirin.Sinaptik plastisite kabaca her omurga da çapa bağlı AMPAR türlerinin sayısındaki değişiklikler ile doğrulanabilir. Sinaptik plastisite oluşumunun tam hesaplama için. Sinapsta demirlemiş ve serbest AMPA'ların toplam sayılarının değişiminin hesaplanması önerilir.AMPAR homosinaptik potansiyasyon ve depresyon, bazal duruma göre çapalar tarafından AMPAR'ların yakınlığındaki değişikliklerden kaynaklanan, sırasıyla demirlemiş AMPA'ların sayısındaki artış ve azalmalarla doğrulanabilir. Örneğin tek bir omurgada homosinaptik uzun süreli potentiation indüksiyon, komşu dikenlerde heteroskopik uzun süreli depresyon etkisi oluşturur. Bu prosedürü takiben, model Dendritik dikenler ltp ve LTD indüksiyon sürecini araştırmak için genişletilebilir.Bu yöntem, çok sayıda değişkenle karmaşık doğrusal olmayan sistemlerin işleyişi hakkında hipotezin test edilmesine olanak sağlar.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Preparation of Oligomeric &beta;-amyloid1-42 and Induction of Synaptic Plasticity Impairment on Hippocampal Slices

Preparation of Oligomeric ÃƒÅ½Ã‚Â²-amyloid1-42 and Induction of Synaptic Plasticity Impairment on Hippocampal Slices

Β-amiloid Oligomerik hazırlanması 1-42</subHipokampal Dilimleri Sinaptik Plastisite değer düşüklüğü> İndüksiyon

Impairment of synaptic connections is likely to underlie the subtle amnesic changes occurring at the early stages of Alzheimer s Disease (AD). ...

Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) of Fluorescence Tagged Proteins in Dendritic Spines of Cultured Hippocampal Neurons

Fluorescence Recovery After Photobleaching FRAP of Fluorescence Tagged Proteins in Dendritic Spines of Cultured Hippocampal Neurons

Kültür Hipokampal Nöronlar Dendritik Spine Floresan Takip edilen Proteinler Photobleaching sonra Floresan Kurtarma (sıkı bağlamak)

FRAP has been used to quantify the mobility of GFP-tagged proteins. Using a strong excitation laser, the fluorescence of a GFP-tagged protein is bleached ...

Lateral Diffusion and Exocytosis of Membrane Proteins in Cultured Neurons Assessed using Fluorescence Recovery and Fluorescence-loss Photobleaching

Kültür Nöronlar Membran Proteinlerin Yanal Difüzyon ve ekzositoz Floresans Kurtarma ve Floresans kaybı Photobleaching kullanarak Değerlendirilen

Membrane proteins such as receptors and ion channels undergo active trafficking in neurons, which are highly polarised and morphologically complex. This ...

Voltage-sensitive Dye Recording from Axons, Dendrites and Dendritic Spines of Individual Neurons in Brain Slices

Aksonlar, Dendrit ve Beyin Dilimleri Bireysel Nöron Dendritik Spine kaynaklanan voltaj duyarlı Boya Kaydı

Understanding the biophysical properties and functional organization of single neurons and how they process information is fundamental for understanding ...

Fast Micro-iontophoresis of Glutamate and GABA: A Useful Tool to Investigate Synaptic Integration

Glutamat ve GABA hızlı Micro-iyontoforez: Synaptic Entegrasyon Araştırma yararlı bir araç

One of the fundamental interests in neuroscience is to understand the integration of excitatory and inhibitory inputs along the very complex structure of ...

Deriving the Time Course of Glutamate Clearance with a Deconvolution Analysis of Astrocytic Transporter Currents

Astrositik Transporter Akımlar bir Dekonvolüsyon Analizi ile Glutamat Gümrükleme gün Dersin türetilmesi

The highest density of glutamate transporters in the brain is found in astrocytes. Glutamate transporters couple the movement of glutamate across the ...

Imaging Dendritic Spines of Rat Primary Hippocampal Neurons using Structured Illumination Microscopy

Yapısal Aydınlatma Mikroskobu kullanılarak Rat İlköğretim hipokampalinden Dentritik Spine görüntüleme

Dendritic spines are protrusions emerging from the dendrite of a neuron and represent the primary postsynaptic targets of excitatory inputs in the brain. ...

Two-Photon in vivo Imaging of Dendritic Spines in the Mouse Cortex Using a Thinned-skull Preparation

Two-Photon in vivo Imaging of Dendritic Spines in the Mouse Cortex Using a Thinned-skull Preparation

İki-Foton<em&gt; In vivo</em&gt; Bir inceltilmiş-kafatası Hazırlık kullanarak Fare Cortex dendritik dikenler Görüntüleme

In the mammalian cortex, neurons form extremely complicated networks and exchange information at synapses. Changes in synaptic strength, as well as ...

Pentylenetetrazole-Induced Kindling Mouse Model

Pentylenetetrazole kaynaklı çıra fare modeli

Pentylenetetrazole (PTZ) is a GABA-A receptor antagonist. An intraperitoneal injection of PTZ into an animal induces an acute, severe seizure at a high ...

Combining Optogenetics with Artificial microRNAs to Characterize the Effects of Gene Knockdown on Presynaptic Function within Intact Neuronal Circuits

Optogenetics gen nakavt etkileri olduğu gibi nöronal devreler içinde Presynaptic işlevi karakterize etmek için yapay mikroRNA'lar birleştirme

The purpose of this protocol is to characterize the effect of gene knockdown on presynaptic function within intact neuronal circuits. We describe a ...