Detaillierte Simulation von Calcium-Signalen in Neuronen
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<strong>Detaillierte</strong> <strong>Simulation</strong><br />
<strong>von</strong> <strong>Calcium</strong>-<strong>Signalen</strong><br />
<strong>in</strong> <strong>Neuronen</strong><br />
NuSim Projekttreffen, 16. April 2012<br />
Markus Breit (G-CSC)
Das Neuron<br />
Morphologie<br />
Schema<br />
Begriffsklärungen<br />
Anfang:<br />
Was wir modellieren<br />
(Weg Synapse-Kern)<br />
Toolkette zur<br />
Geometrie-Erzeugung<br />
Rekonstruktion aus<br />
Miskroskopiedaten
Das Neuron<br />
<strong>Calcium</strong>-Dynamik<br />
E<strong>in</strong>tritt <strong>Calcium</strong> über die Synapse<br />
➞ Austritt mehr <strong>Calcium</strong> aus ER-Speicher<br />
(CICR - calcium-<strong>in</strong>duced calcium release)<br />
Mechanismen: IP₃, RyR, SERCA<br />
➞ Ausbildung e<strong>in</strong>er Wellenfront, Signal bis <strong>in</strong><br />
den Zellkern<br />
➞ Expression <strong>von</strong> Genen:<br />
Zellerhaltung<br />
Zellveränderung, Lernprozess<br />
Cytosol<br />
Außenraum<br />
ER
Das Modell<br />
Gleichungen<br />
In Cytosol / ER<br />
Kanäle <strong>in</strong> der ER-Membran<br />
(De Young & Keizer; Keizer & Lev<strong>in</strong>e)<br />
∂ t [Ca 2+ ] − D · ∆[Ca 2+ ]+s = 0<br />
J = p o · η · ρ ·<br />
p IP 3<br />
o =<br />
p RyR<br />
o =<br />
<br />
<br />
[Ca 2+<br />
ER ] − [Ca2+ Cyt ]<br />
[Ca 2+<br />
Cyt ][IP 3]d 2<br />
([Ca 2+<br />
Cyt ][IP 3]+[IP 3 ]d 2 + d 1 d 2 +[Ca 2+<br />
Cyt ]d 3)([Ca 2+<br />
Cyt ]+d 5)<br />
1+<br />
<br />
3<br />
[Ca 2+<br />
Cyt ]/K b<br />
1+(1/K c )+(K a /[Ca 2+<br />
Cyt ])4 +([Ca 2+<br />
Cyt ]/K b) 3<br />
Pumpe <strong>in</strong> der ER-Membran<br />
(Sneyd et al.)<br />
J SERCA = V S · [Ca 2+<br />
Cyt ]<br />
K S +[Ca 2+<br />
Cyt ] ·<br />
1<br />
[Ca 2+<br />
ER ]
<strong>Simulation</strong> Test mit Kern-Readout<br />
5e-06<br />
Activity of the synapses/channels<br />
Syn0, no channel activity<br />
Syn0, all channels active<br />
Syn4, all channels active<br />
Syn5, all channels active<br />
4e-06<br />
3e-06<br />
[Ca2+]<br />
2e-06<br />
1e-06<br />
0<br />
0 0.5 1 1.5 2<br />
t
<strong>Simulation</strong><br />
Langer Dendrit
<strong>Simulation</strong><br />
Sp<strong>in</strong>e-Apparat
<strong>Simulation</strong><br />
Herausforderungen<br />
schwierige Geometrie<br />
hohe Elementanzahl im<br />
Grobgitter<br />
Zeitskala / Längenskala<br />
ggf. viele Kopplungen<br />
zwischen Unbekannten
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