Computational modeling of calcium diffusion reveals nanoscale biophysics in neuronal spines
La modélisation computationnelle de la diffusion du calcium révèle la biophysique nanométrique des épines dendritiques
Résumé
Dendritic spines that form the receiving terminals of neuronal signals are regulated biochemically by calcium. Fast calcium transmissions in spines remain poorly understood as they occur in a few milliseconds and cannot be explained by classical diffusion theory. I developed mathematical models and stochastic simulations based on extreme statistics to compute the time taken by the fastest ions to arrive at a target via an optimal path. This novel framework not only explained fast calcium transients in spines, but also predicted accurately the spatial distributions of three calcium channels in spines controlling intake, storage and release. I also modeled their interplay during calcium regulation that could lead to synaptic changes underlying learning and memory. These new paradigms of nanoscale molecular organization and extreme statistics could also characterize the timescales of many other biophysical processes driven by random arrivals of the fastest particles to a small target.
La plupart des terminaux post-synaptiques neuronaux sont formés par des épines dendritiques dont l'activité biochimique est régulée par le calcium. Les transmissions rapides de calcium dans les épines se produisent en quelques millisecondes et ne peuvent pas être expliquées par la théorie de la diffusion et restent donc mal comprises. J'ai développé des modèles mathématiques et des simulations basées sur les statistiques extrêmes pour calculer le temps mis par les ions les plus rapides pour arriver à une cible. Ce nouveau cadre explique les activités transitoires rapides du calcium dans les épines et il prédit également avec précision l'emplacement des canaux contrôlant l'apport, le stockage et la libération du calcium. Ces idées, issues de l'organisation moléculaire à l'ordre nanométrique et des statistiques extrêmes pourraient également être appliquées pour déterminer les différentes échelles temporelles de nombreux processus biophysiques, activés par les particules les plus rapides.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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