מידול תלת-מיוד של קוצים דנדריטיים עם פלסטיות סינפטית

פלסטיות סינפטית נקשרה ללמידה וזיכרון¹. פלסטיות סינפטית, כגון ההחזקה לטווח ארוך (LTP) ודיכאון לטווח ארוך (בע”מ), קשורה בהתאמה עם הכנסה והסרה של קולטני AMPA (AMPARs) בתוך ומחוץ קרום סינפטי^2. סינפסות AMPAR ממוקמות על גבי מבני נפח קטנים הנקראים קוצים דנדריטיים³. כל עמוד שדרה מכיל אזור עתיר חלבון בממברנה פוסט-סינפטית הנקראת צפיפות פוסט-סינפטית (PSD). לעגן חלבונים באמפרים מלכודת PSD באזור הסינאפטי. יש מעט עותקים של AMPARs בתוך סינופסה אחת ואת הסחר והתגובה של AMPARs עם מינים אחרים בעמוד השדרה דנדריטי הוא תהליך סטוכסטי^2,4. ישנם מספר מודלים ממודלים של סחר קולטן סינפטי בעמוד השדרה דנדריטי^5,,6,,7,,8. עם זאת, יש מחסור במודלים חישוביים סטוכסטיים של סחר באמפרים הקשורים פלסטיות סינפטית במבנים תלת-מיוד של דנדריטים וקוצים דנדריטיים שלהם.

מידול חישובי הוא כלי שימושי כדי לחקור את המנגנונים הבסיסיים את הדינמיקה של מערכות מורכבות כגון דיפוזיה תגובה של AMPARs בעמוד השדרה דנדריטי במהלך המופע של פלסטיות^{סינפטית 9,10,,11,,12}. המודל יכול לשמש כדי לדמיין תרחישים מורכבים, פרמטרים רגישים שונים ו ביצוע תחזיות חשובות בתנאים מדעיים מעורבים משתנים רבים כי קשה או בלתי אפשרי לשלוט^{ניסיוני 12,13}. הגדרת רמת הפירוט של מודל חישובי היא צעד יסודי בהשגת מידע מדויק על התופעה המודלית. מודל חישובי אידיאלי הוא איזון עדין בין מורכבות לפשטות כדי ללכוד את המאפיינים החיוניים של תופעת הטבע מבלי להיות אסור מבחינה חישובית. מודלים חישוביים מפורטים מדי יכולים להיות יקרים לחישוב. מצד שני, מערכות שמפורטות בצורה גרועה יכולות להיות חסרות את הרכיבים הבסיסיים החיוניים ללכידת הדינמיקה של התופעה. למרות מידול 3D של קוצים דנדריטיים הוא יקר יותר מבחינה חישובית מאשר 2D ו 1D, ישנם תנאים, כגון במערכות מורכבות עם משתנים לא ליניאריים רבים מגיבים ומפזר בזמן ומרחב 3D, אשר מידול ברמה 3D חיוני כדי לקבל תובנות על התפקוד של המערכת. יתר על כן, ניתן להפחית בזהירות את המורכבות כדי לשמר את המאפיינים החיוניים של מודל מימדי נמוך יותר.

במערכת סטוכסטית עם מעט עותקים של מין נתון בנפח קטן, הדינמיקה הממוצעת של המערכת סוטה מהדינמיקה הממוצעת של אוכלוסייה גדולה. במקרה זה, נדרש מידול חישובי סטוכסטי של חלקיקים מפזרי תגובות. עבודה זו מציגה שיטה עבור מידול סטוכסטי תגובה-דיפוזיה של כמה עותקים של AMPARs בעמוד השדרה דנדריטי 3D. מטרת שיטה זו היא לפתח מודל חישובי תלת-מית של פלח דנדריטי עם קוצים דנדריטיים והסינפסות שלהם למודל פלסטיות סינפטית.

השיטה משתמשת בתוכנה MCell כדי לפתור את המודל באופן מספרי, בלנדר לבניית רשתות שינוי תלת-ממדיות, ו- CellBlender כדי ליצור ולדמיין את סימולציות MCell, כולל דיפוזיה של תגובה spatiotemporal של מולקולות ב meshes 3D^14,15,16. בלנדר היא סוויטה ליצירת רשתות שינוי ו-CellBlender היא הרחבה עבור תוכנת הבסיס בלנדר. MCell הוא סימולטור מונטה קרלו עבור דיפוזיה תגובה של מולקולות יחיד^17.

הרציונל מאחורי השימוש בשיטה זו מורכב דוגמנות פלסטיות סינפטית כדי להשיג הבנה טובה יותר של תופעה זו בסביבה מיקרופיזיולוגית של קוצים דנדריטיים^14. במיוחד, שיטה זו מאפשרת סימולציה של ההחזקה הומוסינופטית, דיכאון הומוסינפטי, פלסטיות הטרוזינפטית בין קוצים דנדריטיים¹⁴.

התכונות של שיטה זו כוללות מידול המבנה הגיאומטרי 3D של דנדריט וסינפסות שלה, דיפוזיה על ידי הליכה אקראית, ואת התגובות הכימיות של המולקולות המעורבות פלסטיות סינפטית. שיטה זו מספקת את היתרון של יצירת סביבות עשירות כדי לבדוק השערות ולנבא לגבי התפקוד של מערכת לא ליניארית מורכבת עם מספר גדול של משתנים. בנוסף, שיטה זו יכולה להיות מיושמת לא רק ללימוד פלסטיות סינפטית, אלא גם לחקר תגובה סטוכסטית-דיפוזיה של מולקולות במבנים רשת 3D באופן כללי.

לחלופין, רשתות שינוי תלת-ממדיות של מבנים דנדרטיים ניתן לבנות ישירות בבלנדר משחזורים סדרתיים^{מיקרוסקופ אלקטרונים 18}. למרות רשתות שינוי המבוססות על שחזורים טוריים מספקות מבנים תלת-ממדיים, הגישה לנתונים הניסיוניים אינה תמיד זמינה. כך, בניית רשתות שינוי המותאמות למבנים גיאומטריים בסיסיים, כמתואר בפרוטוקול הנוכחי, מספקת גמישות לפיתוח מקטעים דנדרטיים מותאמים אישית עם קוצים דנדריטיים.

שיטה חישובית חלופית נוספת היא סימולציה בתפזורת של תגובות מעורבות^{היטב בכרך רגיל 9,10,11,19,20,,21,,22}. הסימולציות בתפזורת הן יעילות מאוד בפתרון התגובות של מינים רבים בתוך נפח מעורב היטב^{יחיד 23}, אבל הגישה בתפזורת היא איטית מאוד כדי לפתור את התגובה-דיפוזיה של מולקולות בתוך voxels מעורב היטב רבים ברשת תלת-ממדית ברזולוציה גבוהה. מצד שני, השיטה הנוכחית באמצעות סימולציות MCell של דיפוזיה תגובה של חלקיקים בודדים עובד ביעילות ברזולוציה גבוהה 3D meshes¹⁵.

לפני השימוש בשיטה זו, יש לשאול אם התופעה נחקר דורשת גישה סטוכסטית תגובה-דיפוזיה ברשת 3D. אם לתופעה יש מעט עותקים (פחות מ-1,000) של לפחות אחד מהמינים המגיבים המפוזרים במבנה גיאומטרי מורכב עם תאי נפח קטנים כגון קוצים דנדרטיים, אזי מידול סטוכסטי של דיפוזיה של תגובה ברשתות תלת-מידול מתאים ליישום.

ישנם מספר שלבים הנדרשים כדי לבנות מודל חישובי תלת-מית-מיו של פלח דנדריטי המכיל קוצים דנדריטיים עם פלסטיות סינפטית. השלבים העיקריים הם ההתקנה של התוכנה המתאימה לבניית המודל, בניית עמוד שדרה דנדריטי יחיד שישמש כתבנית ליצירת קוצים מרובים, ויצירת קטע דנדריטי המחובר עם קוצים דנדריטיים מרובים. השלב עבור מידול פלסטיות סינפטית מורכב מהכנסת עוגנים באזור PSD ו AMPARs בקטע דנדריטי וקוצים דנדריטיים. לאחר מכן, תגובות קינטיות בין העוגנים הממוקמים בPSD ו AMPARs מוגדרים לייצר מינים מורכבים עוגן-AMPAR ללכוד את AMPARs באזור הסינאפטי. בהתאמה, העלייה והירידה של הזיקה בין העוגנים לבין AMPARs סינפטי ליצור את התהליך של LTP וע”מ.