Implementing Glial Morphologies and Calcium Simulations Using MCell

Abstract

Astrosyytit ovat aivojen gliasoluja, joilla tavallisesti ajatellaan olevan pääasiassa solujen ja kudoksen homeostaasia ylläpitävä rooli. Muutamat tutkimukset viime vuosina ovat kuitenkin nostaneet esiin mahdollisuuden, että astrosyyteillä on paljon merkittävämpiäkin rooleja aivoissa, kuten vaikutus kognition muodostukseen. Tämä aihe on kuitenkin osoittautunut kiistanalaiseksi, mutta se on lisännyt kiinnostusta ymmärtää astrosyyttien toimintaa syvällisemmin. Astrosyyttien signalointi perustuu pääasiassa kalsiumioneihin, kuten kalsiumaaltojen etenemiseen, mutta kalsiumin tarkat vaikutukset astrosyyteissä ovat vielä epäselvät.

Yleinen mekanismi solusignalointireiteissä on kalsiumin sitoutuminen kalmoduliinimolekyyleihin. Testasimme kalsiumin diffuusiota ja sitoutumista kalmoduliinin astrosyyteissä laskennallisella menetelmällä: diskreetillä stokastisella simulaattorilla nimeltä MCell. Käytimme MCell-simulaatiotyökalua sille tehdyllä CellBlender-käyttöliittymällä. Testasimme kolmea eri morfologiaa, ensin simuloimalla vain kalsiumdiffuusiota ja sitten reaktiodiffuusiomallia, jossa 1-4 kalsiumionia voi sitoutua kalmoduliiniin. Diffuusiosimulaatioissa seurasimme kalsiumionien levittäytymistä morfologioihin. Reaktiodiffuusiosimulaatioiden perusteella piirsimme kuvaajat kalsiumionien, sitoutumattoman kalmoduliinin ja täysin sitoutuneen kalmoduliinin määristä ajan funktiona. Kokeilimme myös diffuusiosimulaatiota eri diffuusiovakion arvoilla kalsiumille ja reaktiodiffuusiosimulaatioita erilaisilla kalsiumin määrillä simulaation alussa yhdessä morfologioista.

Diffuusiosimulaatioilla totesimme, että kalsium saavuttaa hyvin sekoitetun tilan kussakin morfologiassa. Merkittävin tekijä, joka vaikutti tämän tilan saavuttamiseen kuluneeseen aikaan, oli ionien kuljettava matka morfologian alkupisteestä morfologian toiseen päähän. Kalsiumin diffuusiovakion arvon vaikutus tähän aikaan oli lineaarinen. Reaktiodiffuusiosimulaatioissa havaitsimme, että morfologian leveydellä oli huomattava vaikutus täysin sitoutuneen kalmoduliinin muodostumiselle simulaation alussa. Kapeampi morfologia johti täysin sitoutuneen kalmoduliinin määrän nopeampaan kasvuun simulaation alussa. MCell osoittautui työtämme varten suhteellisen sopivaksi, mutta ehkä tarpeettoman tarkaksi ja kuormittavaksi työkaluksi.

Astrocytes are glial cells in the brain which are commonly thought to have primarily “housekeeping” roles. In recent years, some studies have suggested that astrocytes may have much more significance than previously thought, such as a role in cognition. This controversial claim has prompted further research into the life and functioning of astrocytes. Astrocyte signaling happens primarily with calcium ions, such as with calcium waves, however the specifics of its effects and behavior intracellularly in astrocytes are relatively unknown.

A common mechanism in cellular signaling pathways involves the binding of calcium to calmodulin molecules. We experimented with calcium diffusion and binding to calmodulin in astrocytes using a computational method, the discrete stochastic simulator MCell with the CellBlender interface. We tested three different morphologies, first simulating just calcium diffusion, then a reaction-diffusion model where up to four calcium ions can bind to calmodulin. We ran the simulations in each morphology and tracked how long it took for the calcium ions to spread out throughout each morphology in the diffusion simulations. In the reaction-diffusion model simulations, we graphed calcium, unbound calmodulin and fully bound calmodulin counts over time. We also tried diffusion simulations with different diffusion constant values for calcium and reaction-diffusion simulations with different starting counts for calcium ions in one of the morphologies.

We observed in the diffusion simulations that calcium ions reached a well-mixed state in each morphology, with the travel distance from the ion release point to the other end of the morphology being overwhelmingly the most significant factor for the time it took to do so. The diffusion constant of calcium had a linear effect on the time for the ions to spread. In the reaction-diffusion simulation, we observed that the shape of the morphology has a notable effect on the formation of fully bound calmodulin molecules at the beginning of the simulation, where a thinner morphology led to an initially higher count of the fully bound form. MCell proved to be a suitable, although likely unnecessarily precise and computationally intensive tool for simulating our models.