使用超級(jí)計(jì)算機(jī)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(gè)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(gè)神經(jīng)細(xì)胞或神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元都與其他神經(jīng)元有數(shù)千個(gè)連接。這些神經(jīng)元的校準(zhǔn)相互作用是思想的組成部分，無論是明確的類型——一種遙遠(yuǎn)的記憶浮出水面——還是被認(rèn)為是理所當(dāng)然的類型——我們?cè)诖┰绞澜鐣r(shí)對(duì)周圍環(huán)境的外圍意識(shí)。

“大腦是一個(gè)驚人的交流網(wǎng)絡(luò)，”Rizo-Rey 說。“當(dāng)細(xì)胞被電信號(hào)激發(fā)時(shí)，會(huì)發(fā)生非常快的突觸囊泡融合。神經(jīng)遞質(zhì)從細(xì)胞中出來并與突觸側(cè)的受體結(jié)合。這就是信號(hào)，這個(gè)過程非?？?。”

這些信號(hào)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(diǎn)。神經(jīng)元中這一過程的失調(diào)也是如此，它會(huì)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(duì)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(jiǎng)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(duì)立的突觸后細(xì)胞中的。Rizo-Rey 的長(zhǎng)期合作者 Thomas Südhof 因?qū)閷?dǎo)神經(jīng)遞質(zhì)釋放機(jī)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(jiǎng)。

但 Rizo-Rey 表示，他的目標(biāo)是更詳細(xì)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(diǎn)，獲得諾貝爾獎(jiǎng)將只是一個(gè)小小的獎(jiǎng)勵(lì)，”他說。

最近，使用世界上最強(qiáng)大的系統(tǒng)之一德克薩斯高級(jí)計(jì)算中心 (TACC) 的 Frontera 超級(jí)計(jì)算機(jī)，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(yùn)動(dòng)，看看會(huì)發(fā)生什么，這個(gè)過程被稱為分子動(dòng)力學(xué)。

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