सिनैप्टिक ट्रांसमिशन को समझने के लिए सुपर कंप्यूटर का उपयोग करना

सिनैप्टिक ट्रांसमिशन को समझने के लिए सुपर कंप्यूटर का उपयोग करना

सारांश: शोधकर्ता अन्तर्ग्रथनी पुटिका संलयन का एक सर्व-परमाणु आणविक गतिशील अनुकरण प्रस्तुत करते हैं।

स्रोत: टेक्सास एडवांस्ड कंप्यूटिंग सेंटर

आइए एक सेकंड के लिए विचार के बारे में सोचें- विशेष रूप से, मस्तिष्क में न्यूरॉन्स की भौतिकी।

यह विषय टेक्सास साउथवेस्टर्न मेडिकल सेंटर विश्वविद्यालय में बायोफिजिक्स के प्रोफेसर जोस रिजो-रे की आजीवन रुचि रहा है।

हमारे दिमाग में अरबों तंत्रिका कोशिकाएं या न्यूरॉन्स होते हैं, और प्रत्येक न्यूरॉन के अन्य न्यूरॉन्स के साथ हजारों कनेक्शन होते हैं। इन न्यूरॉन्स की कैलिब्रेटेड इंटरैक्शन वह है जो विचार से बने होते हैं, चाहे स्पष्ट प्रकार – एक दूर की स्मृति सरफेसिंग – या ली गई तरह की – हमारे आसपास के बारे में हमारी परिधीय जागरूकता जैसे हम दुनिया के माध्यम से आगे बढ़ते हैं।

“मस्तिष्क संचार का एक अद्भुत नेटवर्क है,” रिज़ो-रे ने कहा। “जब कोई सेल विद्युत संकेतों से उत्तेजित हो जाता है, तो बहुत तेजी से सिनैप्टिक पुटिका संलयन होता है। न्यूरोट्रांसमीटर कोशिका से बाहर आते हैं और अन्तर्ग्रथनी पक्ष पर रिसेप्टर्स को बांधते हैं। यही संकेत है और यह प्रक्रिया बहुत तेज है।”

ये संकेत वास्तव में इतनी तेजी से कैसे हो सकते हैं – 60 माइक्रोसेकंड से कम या एक सेकंड के मिलियनवें हिस्से में – गहन अध्ययन का केंद्र बिंदु है। तो न्यूरॉन्स में इस प्रक्रिया का विनियमन है, जो अल्जाइमर से लेकर पार्किंसंस रोग तक कई न्यूरोलॉजिकल स्थितियों का कारण बनता है।

दशकों के शोध ने मुख्य प्रोटीन खिलाड़ियों की गहन समझ और सिनैप्टिक ट्रांसमिशन के लिए झिल्ली संलयन के व्यापक स्ट्रोक को जन्म दिया है। बर्नार्ड काट्ज़ को यह प्रदर्शित करने के लिए कि रासायनिक अन्तर्ग्रथनी संचरण में तंत्रिका अंत पर प्लाज्मा झिल्ली के साथ एक न्यूरोट्रांसमीटर से भरा सिनैप्टिक वेसिकल होता है और इसकी सामग्री को विरोधी पोस्टसिनेप्टिक सेल में जारी करने के लिए 1970 में चिकित्सा में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

और रिज़ो-रे के लंबे समय के सहयोगी, थॉमस सुधोफ़ ने, न्यूरोट्रांसमीटर रिलीज में मध्यस्थता करने वाली मशीनरी के अपने अध्ययन के लिए 2013 में मेडिसिन में नोबेल पुरस्कार जीता (कई सह-लेखक के रूप में रिज़ो-रे के साथ)।

लेकिन रिज़ो-रे का कहना है कि उनका लक्ष्य विशिष्ट भौतिकी को समझना है कि विचार की सक्रियता प्रक्रिया और अधिक विस्तार से कैसे होती है। “अगर मैं इसे समझ सकता हूं, तो नोबेल पुरस्कार जीतना एक छोटा सा इनाम होगा,” उन्होंने कहा।

हाल ही में, दुनिया की सबसे शक्तिशाली प्रणालियों में से एक, टेक्सास एडवांस्ड कंप्यूटिंग सेंटर (TACC) में फ्रोंटेरा सुपरकंप्यूटर का उपयोग करते हुए, Rizo-Rey इस प्रक्रिया की खोज कर रहा है, जिससे प्रोटीन, झिल्ली, और का एक बहु-मिलियन परमाणु मॉडल तैयार किया जा रहा है। उनके पर्यावरण, और वास्तव में क्या होता है यह देखने के लिए उन्हें गति में स्थापित करना, एक प्रक्रिया जिसे आणविक गतिकी के रूप में जाना जाता है।

में लिखना ईलाइफ जून 2022 में, रिज़ो-रे और सहयोगियों ने सिनैप्टिक वेसिकल फ्यूजन के सभी-परमाणु आणविक गतिशीलता सिमुलेशन प्रस्तुत किए, जो कि प्राइमेड अवस्था की एक झलक प्रदान करते हैं। शोध एक ऐसी प्रणाली दिखाता है जहां कई विशिष्ट प्रोटीन “वसंत-भारित” होते हैं, जो संलयन को ट्रिगर करने के लिए केवल कैल्शियम आयनों के वितरण की प्रतीक्षा करते हैं।

“यह रिलीज करने के लिए तैयार है, लेकिन ऐसा नहीं है,” उन्होंने समझाया। “क्यों नहीं? यह कैल्शियम सिग्नल की प्रतीक्षा कर रहा है। न्यूरोट्रांसमिशन फ्यूजन को नियंत्रित करने के बारे में है। आप चाहते हैं कि सिस्टम फ़्यूज़ करने के लिए तैयार हो, इसलिए जब कैल्शियम आता है, तो यह बहुत तेज़ी से हो सकता है, लेकिन यह अभी फ़्यूज़ नहीं हो रहा है।”

यह एक सिनैप्टिक पुटिका की कंप्यूटर जनित छवि दिखाता है
सिनैप्टिक वेसिकल्स की प्राइमेड अवस्था की प्रकृति की जांच करने के लिए डिज़ाइन किए गए आणविक गतिकी सिमुलेशन का प्रारंभिक विन्यास। श्रेय: जोस रिज़ो-रे, यूटी साउथवेस्टर्न मेडिकल सेंटर

अध्ययन रिज़ो-रे के लिए कम्प्यूटेशनल दृष्टिकोण की वापसी का प्रतिनिधित्व करता है, जो 1990 के दशक की शुरुआत में ऑस्टिन में टेक्सास विश्वविद्यालय में मूल क्रे सुपरकंप्यूटर का उपयोग करते हुए याद करते हैं। उन्होंने मस्तिष्क के बायोफिज़िक्स का अध्ययन करने के लिए पिछले तीन दशकों में परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी जैसे मुख्य रूप से प्रयोगात्मक तरीकों का उपयोग किया।

“सुपरकंप्यूटर इस समस्या को हल करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली नहीं थे कि मस्तिष्क में संचरण कैसे हो रहा था। इसलिए लंबे समय तक, मैंने अन्य तरीकों का इस्तेमाल किया, ”उन्होंने कहा। “हालांकि, फ्रोंटेरा के साथ, मैं 6 मिलियन परमाणुओं का मॉडल बना सकता हूं और वास्तव में इस प्रणाली के साथ क्या हो रहा है इसकी एक तस्वीर प्राप्त कर सकता हूं।”

रिज़ो-रे के सिमुलेशन केवल संलयन प्रक्रिया के पहले कुछ माइक्रोसेकंड को कवर करते हैं, लेकिन उनकी परिकल्पना यह है कि संलयन का कार्य उस समय में होना चाहिए। “अगर मैं देखता हूं कि यह कैसे शुरू हो रहा है, लिपिड मिश्रण करना शुरू कर रहे हैं, तो मैं 5 मिलियन घंटे मांगूंगा [the maximum time available] फ्रोंटेरा पर,” उन्होंने कहा, स्प्रिंग-लोडेड प्रोटीन के स्नैप और चरण-दर-चरण प्रक्रिया को पकड़ने के लिए जिसके द्वारा संलयन और संचरण होता है।

रिज़ो-रे का कहना है कि आज जितनी गणना की जा सकती है, वह अविश्वसनीय है। “हमारे यहां टेक्सास यूनिवर्सिटी साउथवेस्टर्न मेडिकल सेंटर में एक सुपरकंप्यूटर सिस्टम है। मैं 16 नोड्स तक का उपयोग कर सकता हूं, ”उन्होंने कहा। “मैंने कुछ महीनों के बजाय फ्रोंटेरा पर जो किया, उसमें 10 साल लग गए।”

रिज़ो-रे कहते हैं, बुनियादी शोध में निवेश करना- और इस प्रकार के शोध का समर्थन करने वाले कंप्यूटिंग सिस्टम-हमारे देश के स्वास्थ्य और कल्याण के लिए मौलिक है।

“बुनियादी शोध के कारण यह देश बहुत सफल रहा। अनुवाद महत्वपूर्ण है, लेकिन यदि आपके पास बुनियादी विज्ञान नहीं है, तो आपके पास अनुवाद करने के लिए कुछ भी नहीं है।”

यह सभी देखें

यह मस्तिष्क की विषम संरचनाओं को दर्शाता है

इस कम्प्यूटेशनल तंत्रिका विज्ञान अनुसंधान समाचार के बारे में

लेखक: हारून डब्रो
स्रोत: टेक्सास एडवांस्ड कंप्यूटिंग सेंटर
संपर्क करना: हारून डब्रो – टेक्सास एडवांस्ड कंप्यूटिंग सेंटर
छवि: छवि क्रेडिट: जोस रिज़ो-रे, यूटी साउथवेस्टर्न मेडिकल सेंटर

मूल अनुसंधान: खुला एक्सेस।
जोसेप रिज़ो एट अल द्वारा “सिनेप्टोटैगमिन-एसएनएआरई-कॉम्प्लेक्सिन कॉम्प्लेक्स के सभी-परमाणु आणविक गतिशीलता सिमुलेशन एक पुटिका और एक फ्लैट लिपिड बिलीयर को पाटते हैं”। ईलाइफ


सार

Synaptotagmin-SNARE-complexin परिसरों के सभी-परमाणु आणविक गतिशीलता सिमुलेशन एक पुटिका और एक फ्लैट लिपिड बाईलेयर को पाटते हैं

सिनैप्टिक वेसिकल्स को एक ऐसी अवस्था में प्राइम किया जाता है जो Ca . पर तेजी से न्यूरोट्रांसमीटर रिलीज के लिए तैयार है2+– सिनैप्टोटैगमिन-1 से जुड़ना। इस अवस्था में संभवतः पुटिका और प्लाज्मा झिल्लियों के बीच ट्रांस-स्नेयर कॉम्प्लेक्स शामिल होते हैं जो सिनैप्टोटैगमिन -1 और कॉम्प्लेक्सिन से बंधे होते हैं।

हालाँकि, इस अवस्था की प्रकृति और झिल्ली संलयन की ओर ले जाने वाले चरण अस्पष्ट हैं, आंशिक रूप से इस गतिशील प्रक्रिया का प्रयोगात्मक रूप से अध्ययन करने में कठिनाई के कारण।

इन सवालों पर प्रकाश डालने के लिए, हमने सिनैप्टोटैगमिन -1 और / या कॉम्प्लेक्सिन -1 के टुकड़ों के साथ या बिना दो फ्लैट बिलयर्स या एक वेसिकल और एक फ्लैट बिलेयर के बीच ट्रांस-एसएनएआर कॉम्प्लेक्स वाले सिस्टम के सभी-परमाणु आणविक गतिशीलता सिमुलेशन का प्रदर्शन किया।

सीमित सिमुलेशन समय और प्रमुख घटकों की अनुपस्थिति के कारण हमारे परिणामों की सावधानी से व्याख्या करने की आवश्यकता है, लेकिन यंत्रवत विशेषताओं का सुझाव देते हैं जो रिलीज को नियंत्रित कर सकते हैं और प्राइमेड सिनैप्टोटैगमिन-1-एसएनएआरई-कॉम्प्लेक्सिन -1 कॉम्प्लेक्स के संभावित राज्यों की कल्पना करने में मदद कर सकते हैं।

सिमुलेशन से पता चलता है कि SNARE अकेले विस्तारित झिल्ली-झिल्ली संपर्क इंटरफेस के गठन को प्रेरित करते हैं जो धीरे-धीरे फ्यूज हो सकते हैं, और यह कि प्राइमेड अवस्था में Synaptotagmin-1 C से बंधे ट्रांस-SNARE परिसरों की मैक्रोमोलेक्यूलर असेंबली होती है।2स्प्रिंग-लोडेड कॉन्फ़िगरेशन में बी डोमेन और कॉम्प्लेक्सिन -1 जो ​​समय से पहले झिल्ली के विलय और विस्तारित इंटरफेस के गठन को रोकता है, लेकिन सीए पर तेजी से संलयन के लिए सिस्टम को तैयार रखता है2+ प्रवाह

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