使用超級計算機了解突觸傳遞

讓我們想一想思想——特別是大腦中神經(jīng)元的物理學(xué)。

這個話題一直是德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心生物物理學(xué)教授 Jose Rizo-Rey 的終生興趣。

我們的大腦有數(shù)十億個神經(jīng)細胞或神經(jīng)元，每個神經(jīng)元都與其他神經(jīng)元有數(shù)千個連接。這些神經(jīng)元的校準相互作用是思想的組成部分，無論是明確的類型——一種遙遠的記憶浮出水面——還是被認為是理所當(dāng)然的類型——我們在穿越世界時對周圍環(huán)境的外圍意識。

“大腦是一個驚人的交流網(wǎng)絡(luò)，”Rizo-Rey 說。“當(dāng)細胞被電信號激發(fā)時，會發(fā)生非?？斓耐挥|囊泡融合。神經(jīng)遞質(zhì)從細胞中出來并與突觸側(cè)的受體結(jié)合。這就是信號，這個過程非?？?。”

這些信號究竟是如何發(fā)生得如此之快——不到 60 微秒或百萬分之一秒——是深入研究的重點。神經(jīng)元中這一過程的失調(diào)也是如此，它會導(dǎo)致許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病，從阿爾茨海默氏癥到帕金森氏癥。

數(shù)十年的研究已經(jīng)導(dǎo)致對主要蛋白質(zhì)參與者和膜融合突觸傳遞的廣泛影響有了透徹的了解。伯納德·卡茨 (Bernard Katz) 獲得 1970 年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎的部分原因是，它證明了化學(xué)突觸傳遞是由充滿神經(jīng)遞質(zhì)的突觸小泡與神經(jīng)末梢的質(zhì)膜融合并將其內(nèi)容物釋放到對立的突觸后細胞中的。Rizo-Rey 的長期合作者 Thomas Südhof 因?qū)閷?dǎo)神經(jīng)遞質(zhì)釋放機制的研究(其中許多與 Rizo-Rey 共同作者)獲得了 2013 年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。

但 Rizo-Rey 表示，他的目標是更詳細地了解思想激活過程如何發(fā)生的具體物理學(xué)。“如果我能理解這一點，獲得諾貝爾獎將只是一個小小的獎勵，”他說。

最近，使用世界上最強大的系統(tǒng)之一德克薩斯高級計算中心 (TACC) 的 Frontera 超級計算機，Rizo-Rey 一直在探索這一過程，創(chuàng)建了蛋白質(zhì)、膜和他們的環(huán)境，并讓他們虛擬地運動，看看會發(fā)生什么，這個過程被稱為分子動力學(xué)。

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