استفاده از یک ابر کامپیوتر برای درک انتقال سیناپسی

بیایید یک لحظه به فکر فکر کنیم – به طور خاص، فیزیک نورون های مغز.

این موضوع مورد توجه مادام العمر خوزه ریزو ری، استاد بیوفیزیک در مرکز پزشکی جنوب غربی دانشگاه تگزاس بوده است.

مغز ما میلیاردها سلول عصبی یا نورون دارد و هر نورون هزاران ارتباط با نورون های دیگر دارد. فعل و انفعالات کالیبره‌شده این نورون‌ها همان چیزی است که افکار از آن ساخته شده‌اند، چه نوع صریح آن – یک حافظه‌ی دور ظاهر می‌شود – یا نوع بدیهی آن – آگاهی پیرامونی ما از محیط اطرافمان در حین حرکت در جهان.

ریزو ری گفت: «مغز یک شبکه ارتباطی شگفت انگیز است. هنگامی که یک سلول توسط سیگنال های الکتریکی برانگیخته می شود، همجوشی وزیکول سیناپسی بسیار سریع اتفاق می افتد. انتقال دهنده های عصبی از سلول خارج شده و به گیرنده های سمت سیناپسی متصل می شوند. این سیگنال است و این فرآیند بسیار سریع است.

اینکه دقیقاً چگونه این سیگنال‌ها می‌توانند به این سرعت رخ دهند – کمتر از 60 میکروثانیه یا میلیونیم ثانیه – کانون مطالعه شدید است. همینطور بی نظمی این فرآیند در نورون ها، که باعث ایجاد مجموعه ای از بیماری های عصبی، از آلزایمر تا پارکینسون می شود.

دهه‌ها تحقیق به درک کامل بازیگران اصلی پروتئین و سکته‌های گسترده همجوشی غشاء برای انتقال سیناپسی منجر شده است. برنارد کاتز جایزه نوبل پزشکی 1970 را تا حدی به دلیل اثبات اینکه انتقال سیناپسی شیمیایی شامل یک وزیکول سیناپسی مملو از انتقال دهنده عصبی است که با غشای پلاسمایی انتهای عصب ترکیب می شود و محتوای آن را در سلول پس سیناپسی مخالف آزاد می کند، دریافت کرد. و همکار قدیمی ریزو ری، توماس سودهف، جایزه نوبل پزشکی را در سال 2013 به دلیل مطالعاتش در مورد ماشینی که واسطه انتشار انتقال دهنده های عصبی است (بسیاری با ریزو-ری به عنوان نویسنده مشترک) برنده شد.

اما Rizo-Rey می‌گوید هدف او این است که فیزیک خاص چگونگی انجام فرآیند فعال‌سازی فکر را با جزئیات بیشتری درک کند. او گفت: «اگر بتوانم این را درک کنم، برنده شدن جایزه نوبل فقط یک پاداش کوچک خواهد بود.

اخیراً با استفاده از ابررایانه فرونترا در مرکز محاسبات پیشرفته تگزاس (TACC)، یکی از قدرتمندترین سیستم‌های جهان، Rizo-Rey در حال بررسی این فرآیند بوده و مدلی چند میلیون اتمی از پروتئین‌ها، غشاءها و غشاها ایجاد کرده است. محیط آنها، و به حرکت درآوردن آنها به طور مجازی برای دیدن آنچه اتفاق می افتد، فرآیندی که به عنوان دینامیک مولکولی شناخته می شود.

نوشتن در eLife در ژوئن 2022، Rizo-Rey و همکارانش شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی تمام اتمی از همجوشی وزیکول سیناپسی را ارائه کردند که نمایی اجمالی از حالت اولیه ارائه می‌دهد. این تحقیق سیستمی را نشان می‌دهد که در آن چندین پروتئین تخصصی «بارگذاری شده بهار» هستند و تنها در انتظار تحویل یون‌های کلسیم برای شروع همجوشی هستند.

او توضیح داد: «آماده انتشار است، اما اینطور نیست. “چرا این کار را نمی کند؟ منتظر سیگنال کلسیم است. انتقال عصبی در مورد کنترل همجوشی است. شما می خواهید سیستم را آماده همجوشی کنید، بنابراین وقتی کلسیم وارد می شود، می تواند بسیار سریع اتفاق بیفتد، اما هنوز ذوب نشده است.”

این مطالعه نشان دهنده بازگشتی به رویکردهای محاسباتی برای Rizo-Rey است که به یاد می آورد از ابررایانه اصلی Cray در دانشگاه تگزاس در آستین در اوایل دهه 1990 استفاده کرده است. او در طی سه دهه گذشته از روش‌های تجربی اولیه مانند طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای برای مطالعه بیوفیزیک مغز استفاده کرد.

او گفت: “ابر رایانه ها به اندازه کافی قدرتمند نبودند که این مشکل نحوه انتقال در مغز را حل کنند. بنابراین برای مدت طولانی از روش های دیگری استفاده می کردم.” با این حال، با Frontera، من می‌توانم 6 میلیون اتم را مدل‌سازی کنم و واقعاً تصویری از آنچه در این سیستم می‌گذرد به دست بیاورم.

شبیه‌سازی‌های ریزو-ری تنها چند میکروثانیه اول فرآیند همجوشی را پوشش می‌دهند، اما فرضیه او این است که عمل همجوشی باید در آن زمان اتفاق بیفتد. “اگر ببینم چگونه شروع می شود، لیپیدها شروع به مخلوط شدن می کنند، سپس 5 میلیون ساعت درخواست خواهم کرد. [the maximum time available] در Frontera، “او گفت، برای گرفتن عکس از پروتئین های بارگذاری شده با فنر و فرآیند گام به گام که طی آن ادغام و انتقال اتفاق می افتد.

Rizo-Rey می‌گوید حجم محاسباتی که امروزه می‌توان از آن استفاده کرد، باور نکردنی است. او گفت: “ما در اینجا در مرکز پزشکی جنوب غربی دانشگاه تگزاس یک سیستم ابررایانه داریم. من می توانم از 16 گره استفاده کنم.” کاری که من در فرونترا انجام دادم، به جای چند ماه، 10 سال طول می کشید.

Rizo-Rey می‌گوید سرمایه‌گذاری در تحقیقات پایه – و در سیستم‌های محاسباتی که از این نوع تحقیقات پشتیبانی می‌کنند – برای سلامت و رفاه کشور ما اساسی است.

این کشور به دلیل تحقیقات پایه بسیار موفق بود، ترجمه مهم است، اما اگر علوم پایه نداشته باشید، چیزی برای ترجمه ندارید.»