超级计算机可以帮助理解的物理思想

我们都要想想想——具体来说,大脑神经元的物理学。

这个话题已经成为终生的兴趣何塞Rizo-Rey生物物理学教授的德克萨斯大学西南医学中心。

我们的大脑有数十亿神经细胞或神经元,和每个神经元都有成千上万的其他神经元连接。校准这些神经元的相互作用是什么想法,是否显式类型——一个遥远的记忆浮出水面——或者是理所当然的——我们的周边环境意识我们穿越世界。

“大脑是一个了不起的通信网络,“Rizo-Rey说。“当一个细胞电信号的兴奋心情,非常快的突触囊泡融合发生。神经传递素的细胞和突触与受体结合。的信号,这个过程是非常快的。”

如何这些信号会发生如此之快——不到60毫秒或上百万,是研究的焦点。所以在神经元,这一过程的失调导致的神经系统条件下,从阿尔茨海默氏症,帕金森氏症。

数十年的研究已经导致了彻底了解的主要蛋白质球员和突触传递的大中风的膜融合。伯纳德•卡茨被授予1970年诺贝尔医学奖,部分是为了证明化学突触传递由neurotransmitter-filled在神经末梢突触囊泡与质膜融合并释放其内容变成对方突触后细胞。Rizo-Rey的长期合作者,托马斯Sudhof在2013年获得了诺贝尔医学奖对他研究的机械,调节神经递质释放的与Rizo-Rey作为合著者(许多)。

但是Rizo-Rey说他的目标是理解的具体物理思维的激活过程发生在更多的细节。“如果我能理解,获得诺贝尔奖就是一个小奖励,”他说。

最近,使用Frontera超级计算机在得克萨斯高级计算中心(TACC),世界上最强大的系统之一,Rizo-Rey一直在探索这一过程,创建一个数百万蛋白质的原子模型,膜,和他们的环境,和设置在运动几乎看到发生了什么,这一过程称为分子动力学。

写在eLife2022年6月,Rizo-Rey和合作者提出所有原子分子动力学模拟的突触囊泡融合,提供一瞥待发状态。这项研究显示了一个系统,其中一些特殊蛋白质“弹簧”,只等待钙离子触发聚变的交付。

“这是准备释放,但它没有,”他解释道。“为什么不是吗?这是等待钙信号。神经传递控制融合。你想要系统准备保险丝,当钙,它可以发生非常快,但它不是融合。”

研究的资金是由韦尔奇基金会和美国国立卫生研究院,谁选择Rizo-Rey第一批30神经科学家来接收R35研究项目奖(战)一个试点项目,旨在鼓励创造性的研究提高资金的稳定性。

这项研究是为Rizo-Rey回归计算方法,回忆用最初的克雷超级计算机的德州大学奥斯丁分校在1990年代早期。他继续使用核磁共振光谱学等主要实验方法在过去三十年来研究大脑的生物物理学。

”超级计算机没有强大到足以解决这个问题如何传播发生在大脑中。所以很长一段时间,我使用其他方法,”他说。“然而,Frontera,我可以600万型原子和真正得到的照片与这个系统到底是怎么回事。”

Rizo-Rey模拟只覆盖了前几微秒的融合过程中,但他的假设是,融合的行为应该发生在那个时候。“如果我看到它是如何开始,脂质开始混合,然后我会要求500万小时Frontera(可用的最大时间),”他说,捕捉弹簧折断的蛋白质和融合和传输的循序渐进的过程。

Rizo-Rey说纯粹的数量的计算,可以利用今天是难以置信的。“我们有一个超级计算机系统在德克萨斯大学西南医学中心。我可以使用16节点,”他说。“Frontera我所做的,而不是几个月,已经10年了。”

投资于基础研究,在计算系统,支持这种类型的研究,是我们国家的健康和福祉的基础,Rizo-Rey说。

“这个国家非常成功,因为基础研究。翻译是很重要的,但是如果你没有基础科学,就没有翻译。”

参考:Rizo J,纱丽L,气Y, Im W,林毫米。所有原子分子动力学模拟Synaptotagmin-SNARE-complexin复合物弥合泡和平坦的脂质双分子层。eLife。2022;11:e76356。doi:10.7554 / eLife.76356

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