مقالة منهجية

بناء ملامح عزم الدوران والسرعة والقدرة ذات الحمل الثابت (متساوي التوتر) والسرعة الثابتة (متساوية التوتر) في الجسم الحي للمثنيات الأخمصية للفئران

1.3K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/68858

⸱

أكتوبر 3, 2025

 ,  ,  ,  , 
1Neuromechanical Performance Research Lab, Department of Human Health and Nutritional Sciences, College of Biological Sciences, University of Guelph, 2Aurora Scientific Inc.

* These authors contributed equally

في هذه المقالة

ملخص

هنا ، نقدم بروتوكولا جديدا لقياس علاقة عزم الدوران والسرعة الزاوية والقوة بشكل غير جراحي في الجسم الحي في عضلات الجرذ الأخمصية باستخدام تحفيز العضلات عبر الجلد. يتيح هذا الإعداد اختبارا بسيطا لتقلصات العضلات متساوية التوتر على نظام محول الطاقة/التحكم في الطول لتمثيل طبيعة الحمل المستمر للحركات اليومية بشكل أفضل.

الملخص

يعد فهم علاقة عزم الدوران والسرعة والقوة للعضلات أمرا بالغ الأهمية لتقييم أداء العضلات الديناميكي ، والذي له آثار على الصحة والمرض. بينما تستخدم دراسات قياس الديناميكية في البشر تقلصات متساوية الحركة (السرعة الثابتة) أو متساوية التوتر (الحمل الثابت) لتقييم هذه العلاقة ، فقد اعتمدت نماذج القوارض بشكل حصري تقريبا على الانقباضات متساوية الحركة بسبب تعقيد إجراء تجارب مشبك الحمل متساوي التوتر على الأنظمة المتاحة تجاريا. تتوافق الانقباضات متساوية التوتر بشكل أفضل مع ظروف الحمل المستمر للحركات التي تحدث خارج المختبر. هنا ، نقدم بروتوكول تحفيز كهربائي جديد طفيف التوغل عبر الجلد وسير عمل خطوة بخطوة لتقييم علاقة عزم الدوران متساوي التوتر والسرعة الزاوية والقوة في الجسم الحي للمثنيات الأخمصية للفئران. تمت مقارنة منحنيات عزم الدوران المتساوي ومتساوي الحركة والسرعة الزاوية في 10 فئران Sprague-Dawley. أسفرت الانقباضات متساوية التوتر عن سرعة تقصير قصوى أعلى (Vmax) وقوة ذروة مقارنة بالانكماشات متساوية الحركة التي استخدمت متوسط عزم الدوران. ومع ذلك ، فإن قوة الذروة متساوية التوتر تتطابق بشكل أفضل مع قوة الذروة متساوية التوتر عند قياس ذروة عزم الدوران من الانقباضات متساوية الحركة بسبب انخفاض انحناء منحنى سرعة عزم الدوران الزاوي. علاوة على ذلك ، اختلف عزم الدوران والسرعة عند ذروة الطاقة اعتمادا على نوع البروتوكول المستخدم. تتناسب جميع مجموعات البيانات مع معادلة هيل بقوة (R2 > 0.98) ، على الرغم من أن البيانات متساوية التوتر كانت "أضعف" نوبات ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى الطبيعة الأكثر تغيرا لتقلصات الحمل الثابت. بناء على هذه النتائج ، يوصى باستخدام تقلصات متساوية التوتر عندما يكون ذلك ممكنا ، خاصة إذا كان يهدف إلى تقييم Vmax أو ذروة الطاقة. إذا كان لا بد من استخدام الاختبارات متساوية الحركة بدلا من ذلك ، توفير دليل قيم هنا لفهم القيود وتعظيم قابلية الترجمة إلى تقلصات الحمل الثابت.

المقدمة

غالبا ما يتضمن التحقيق الأساسي لكيفية تغير أداء العضلات مع التمرين أو النضج أو الشيخوخة أو المرض تقييمات إنتاج القوة أو عزم الدوران فقط أثناء الانقباضات متساوية القياس (أي طول العضلات الثابت أو زاوية المفصل ، على التوالي). ومع ذلك ، منذ العمل الرائد ل A.V. هيل في ثلاثينيات القرنالعشرين 1 ، توسعت التجارب على أداء العضلات تدريجيا لتشمل الظروف الديناميكية ، وتقييم العلاقة بين القوة والسرعة ومنتجها ، القوة2،3،4،5،6،7،8. مع زيادة سرعة التقصير ، يتم تقليل احتمال تكوين جسور متقاطعة من الأكتين والميوسين المنتجة للقوة ، مما يخلق الشكل الزائدي العكسي لمنحنى القوة والسرعة1،2. وبالتالي ، توفر القوة تمثيلا شاملا للأداء الديناميكي للعضلات ، مما يعرض المفاضلة بين القوة دون القصوى والسرعة دون القصوى في تحقيق أقصى قوة9. تقدمت الدراسات التي أجريت على البشر على وجه الخصوص إلى استخدام قياس ديناميكية الجسم بالكامل (على سبيل المثال ، HUMAC أو Biodex) ، مما يسمح بتقييم علاقة عزم الدوران والسرعة والقوة باستخدام متساوي الحركة10 (السرعة الزاوية الثابتة) أو متساوي التوتر11،12،13،14،15،16 حركات (الحمل الثابت). من بين هذين النوعين من الحركة ، تتماشى الانقباضات متساوية التوتر بشكل أفضل مع ظروف الحمل المستمر للحركات التي تحدث خارج المختبر ، مما يضع التحدي المتمثل في تحريك الحمل على العضلات المعنية ، في حين أن الانقباضات متساوية الحركة تكون أكثر غير طبيعية لأن ذراع ذراع تحويل القوة لمقياس الديناميكية لا يمكن أن يتحرك إلا بسرعة زاوية ثابتة12،16،17 ، 18.

شهد العقدان الماضيان أيضا تقدما كبيرا في أنظمة مقياس الدينامومتر الصغيرة لتقييم أداء العضلات في القوارض19،20،21،22،23،24. تسمح نماذج القوارض بإمكانيات لا حصر لها تقريبا للتحقيق قبل السريري للأمراض التي تؤثر سلبا على العضلات ، بما في ذلك مرض السكري من النوع25 ، والسمنة26 ، ودنف السرطان27 ، والساركوبينيا19،28 ، والشلل الدماغي التشنجي29،30 ، والحثل العضلي الدوشيني31 ، واعتلال التوسعة32، والمزيد. أصبحت المقاييس الطولية المتكررة لأداء العضلات باستخدام الحية ممكنة من خلال استخدام الأعصاب الطرفية أو التحفيز الكهربائي للعضلات عن طريق الجلد تحت التخدير33،34. لسوء الحظ ، نظرا لأن هذه الانقباضات تحتاج إلى استحضارها كهربائيا ، فقد كانت أكثر ملاءمة للطبيعة المبسطة والمضبوطة للانقباضات متساوية التوتر بدلا من الانقباضات متساوية التوتر (التي تتطلب نهجا أكثر دقة) لبناء علاقة عزم الدوران والسرعة والقوة. علاوة على ذلك ، فإن زرع أصفاد الأعصاب الطرفية أو التحفيز المباشر للعضلات عبر قطب كهربائي بالإبرة هي إجراءات جراحية تتطلب جراحة أو إدخال دقيق للأقطاب الكهربائية الساكنة عبر الجلد ، وبالتالي فإن الاستخدام المتكرر يمثل مخاطر للآثار الضارة أو التناقضات التي يمكن أن تربك النتائج بين جلسات الاختبار المتكررة على نفس.

هنا ، يتم تقديم إعداد جديد لتقييم علاقة عزم الدوران والزاوية والقوة في الجسم الحي في الفئران باستخدام إجراء متسق وطفيف التوغل لتحفيز العضلات عبر الجلد (أي خارج الجلد) على نظام محول القوة / التحكم في الطول. بالإضافة إلى ذلك ، تقدم هذه الدراسة مقارنة بين منحنيات عزم الدوران وسرعة وقوة متساوي التوتر التي تم إنشاؤها من هذه التقنية ، مع توصيات فنية / منهجية تستند إلى الفروق الدقيقة في كلا الإجراءين.

البروتوكول

تمت الموافقة على جميع البروتوكولات من قبل لجنة رعاية بجامعة جيلف (AUP # 4905) واتبعت إرشادات المجلس الكندي لرعاية.

ملاحظة: المواد المدرجة في جدول المواد مطلوبة لبناء إعداد حامل القطب الكهربائي ، ووضع الجرذ داخل نظام التحكم في محول القوة / الطول ، وجمع عزم الدوران ، والموضع ، وبيانات السرعة الزاوية.

1.

  1. احصل على 10 إناث فئران Sprague Dawley (العمر: 11 أسبوعا ؛ كتلة الجسم: 228 ± 21 جم).
  2. ضع الفئران في درجة حرارة 23 درجة مئوية في مجموعات من شخصين أو ثلاثة وامنح حق الوصول إلى نظام Teklad الغذائي العالمي للقوارض بنسبة 18٪ من البروتين والمياه بدرجة حرارة الغرفة.

2. حامل قطب كهربائي حسب الطلب

  1. قم ببناء حامل القطب الكهربائي المصنوع خصيصا للتحفيز عبر الجلد بشكل أساسي من أجزاء البناء المتاحة تجاريا ، والتي يتم عرض تعليمات البناء منها في الملف التكميلي 1.
  2. تصميم مخصص وطباعة ثلاثية الأبعاد لقطعة حامل القطب مع ملف STL المرفق في الملف التكميلي 1.
    ملاحظة: تحتوي قطعة حامل القطب هذه على فتحات مثبتة لحمل مسامير التشطيب الناعمة المجلفنة الفولاذية مقاس 1-1 / 2 بوصة. يهدف وضع المسامير في هذه الثقوب إلى تعديله بناء على حجم / موضع الجرذ الفردي الذي يتم اختباره. ملحومة بهذه المسامير هي أسلاك الكاثود والأنود التي تتصل بمحفز ثنائي الطور عالي الطاقة لتوفير التحفيز عبر الجلد للعضلات الأخمصية.

3. إعداد الاختبار الميكانيكي الأولي في الجسم الحي

  1. تشغيل نظام in vivo
    1. قم بتشغيل المضخة الحرارية واضبطها على 37 درجة مئوية.
    2. قم بتشغيل الكمبيوتر. افتح برنامج DMCv5.5.
    3. في صندوق المحفز ، انقر فوق مفتاح الطاقة الكبير ومفتاح الإخراج الأصغر تشغيل.
    4. قم بتشغيل مفتاح الطاقة لنظام ذراع الوضع المزدوج.
    5. انقر فوق بروتوكول في البرنامج. قم بتحميل بروتوكول يوفر انكماشا يبلغ 500 مللي ثانية 100 هرتز (عرض النبضة 0.1 مللي ثانية) بزاوية كاحل تبلغ 90 درجة (أي الزاوية المحايدة الافتراضية للبرنامج).
      ملاحظة: تتجاوز خطوات كيفية تصميم بروتوكول نطاق هذه الدراسة، ويمكن الوصول إليها في أدلة التشغيل لنظام معين.
    6. اضبط قوة الإزاحة على 350 mN×m (الحد الأقصى لعزم الدوران الذي يمكن تسجيله بواسطة هذا النظام ؛ من غير المرجح أن يتجاوز الجرذ هذه القيمة28،35،36،37،38) ، ثم قم بتحميل البروتوكول.
    7. انقر فوق المفتاح الموجود على النظام للتشغيل. تأكد من تثبيت دواسة القدم (الموضحة في الشكل 1) في مكانها.
  2. تحضير الفئران
    1. تخدير الفئران عن طريق الأيزوفلوران باستخدام إجراءات التشغيل القياسية في مؤسسة البحث المعمول بها39 (على سبيل المثال ، هنا ، تم استخدام إرشادات من تدريب تخدير القوارض بجامعة جيلف ، مع ضبط الأيزوفلوران على 4٪ ومعدل تدفق الأكسجين على 2.5 لتر / دقيقة للحث الأولي ، وخفض الأيزوفلوران إلى 1.5-2٪ ومعدل تدفق الأكسجين إلى 1.5 لتر / دقيقة للصيانة). ضع الجرذ مع فمه / أنفه في مخروط الفم على منصة ساخنة (الشكل 1). راقب تنفس الفئران ومعدل نبضه طوال الوقت لضمان عمق التخدير المتسق والآمن ، مع الإشارة إلى إجراءات التشغيل القياسية39.
    2. انشر مرهم العين على العينين لمنع جفاف العينين.
    3. احلق الساق اليسرى تماما من الشعر باستخدام ماكينة حلاقة كهربائية.
    4. وزعي كريم إزالة الشعر المتوفر تجاريا على الساق بأكملها باستخدام قطعة قطن (على سبيل المثال ، Q-tip). انتظر 3 دقائق ، ثم اكشطي الكريم بأكبر عدد ممكن من مسحات القطن حسب الضرورة. اهدف إلى جعل الساق عارية قدر الإمكان.
      ملاحظة: هذه الخطوة ضرورية لأن الشعر سيعطل التلامس بين الأقطاب الكهربائية والجل الموصل والجلد عند محاولة توصيل التحفيز الكهربائي.
    5. نظف الساق بالكامل عن طريق ترطيب كرات القطن بالماء المقطر ومسحها على الساق.
    6. جفف الساق بمنشفة ورقية.
  3. وضع الفئران
    1. لف الشريط الجراحي حول القدم ودواسة القدم لتثبيت القدم في مكانها. يجب أن تكون ضيقة قدر الإمكان. تأكد ، على وجه الخصوص ، من تثبيت الكعب في الفتحة الموجودة أسفل دواسة القدم. استخدم مقبض الضبط 3 (الموضح في الشكل 1) لتحريك دواسة القدم بالقرب أو بعيدا حسب الحاجة لضمان تمديد الركبة.
    2. ملاحظة: يصعب تحقيق التمدد الكامل الحقيقي للركبة هنا ، لذلك لا تقلق إذا لم يتم تمديد الركبة بالكامل.
    3. قم بإعداد المشبك ، وادفع إلى منتصف الساق القريب لتثبيت أسفل الساق في مكانه (انظر الشكل 1للحصول على تصوير مرئي). استخدم مقابض الضبط 1 و 2 (الموضحة في الشكل 1) لوضع دواسة القدم بحيث تتماشى مع المشبك.
  4. وضع القطب الكهربائي
    1. باستخدام الملقط ، انشر الجل الموصل على كلا القطبين ، وكذلك على الجانب الخلفي من ساق الفئران.
    2. ضع الأقطاب الكهربائية كما هو موضح في الشكل 1 ، مع التأكد من وجود هلام بين الأقطاب الكهربائية والساق. يذهب القطب البعيد بعيدا عن المعدة ، بينما يذهب القطب القريب إلى الطرف القريب من المعدة ، حيث يلتقي بمفصل الركبة. ابحث عن هذه المواقع عن طريق ملامسة "انتفاخ" المعدة على الجانب الخلفي من أسفل الساق.
    3. أدر الترس (المسمى في الشكل 1) لرفع الأقطاب الكهربائية في مكانها لضمان التلامس المستمر أثناء التحفيز. لا تدفعه لأعلى بقوة كبيرة ، وإلا فإنه سيمارس عزم دوران سلبي غير مرغوب فيه على دواسة القدم. يجب أن يكون هناك مجرد انحناء طفيف في المحور (المسمى في الشكل 1) الذي يحمل الأقطاب الكهربائية لضمان بقائها في مكانها أثناء التحفيز.
  5. تمكين الحفظ التلقائي
    1. ارجع إلى برنامج DMCv5.5. في أعلى الصفحة، انقر على "الإعداد"، ثم " مجلد الحفظ التلقائي".
    2. انتقل إلى المجلد المختار لحفظ ملفات البيانات فيه، ثم انقر فوق المجلد الحالي.
    3. اكتب اسما أساسيا (على سبيل المثال، رمز تعريف الفئران) في مربع الحفظ التلقائي الأساسي ، ثم انقر على تمكين الحفظ التلقائي. سيتم الآن حفظ جميع ملفات البيانات في المجلد المحدد باسم قاعدة الحفظ التلقائي. لا تنس الإضافة إلى الاسم الأساسي اعتمادا على البروتوكول الذي يتم تشغيله (على سبيل المثال ، "C1Black-70deg" لتقلص 100 هرتز بزاوية 70 درجة ؛ كاسم ملف ، سيظهر هذا ك "C1Black-70deg.ddf" في مجلد الحفظ التلقائي المختار).

4. التحسين الحالي لتحفيز 100 هرتز

  1. تم بالفعل تحميل بروتوكول 100 هرتز عند 90 درجة من الخطوة 3.1.5. اضبط المحفز على 20 مللي أمبير. سيكون هذا مستوى منخفضا جدا من التحفيز ، وسيتيح للباحث معرفة ما إذا كانوا بحاجة إلى إجراء أي تعديلات على وضع القطب / الجل (على سبيل المثال ، إذا كان تتبع عزم الدوران يبدو غير متساو أو انزلقت الساق من المشبك) دون إحداث الكثير من إجهاد العضلات28،35،36،37،38.
  2. انقر فوق بدء الاختبار لتشغيل البروتوكول. يجب أن يكون تقلص العضلات مرئيا. بعد تشغيل البروتوكول، انقر فوق تحليل للتحقق من مقدار عزم الدوران الذي تم إنتاجه، مع التأكد من النقر فوق مربع تصحيح خط الأساس .
  3. بعد السماح بدقيقتين من الراحة ، قم بزيادة إلى 30 مللي أمبير وقم بتشغيل البروتوكول مرة أخرى. انقر فوق تحليل للتحقق من مقدار عزم الدوران الذي تم إنتاجه ، مما يضمن النقر فوق مربع تصحيح خط الأساس (يضمن هذا المربع طرح عزم الدوران السلبي من إجمالي عزم الدوران للحصول على قياس عزم الدوران النشط).
    ملاحظة: لا يعمل استخدام أداة تصحيح خط الأساس هذه إلا على هذا الإعداد عند الكاحل 90 درجة. في جميع الزوايا الأخرى ، يجب استخدام الطريقة الموضحة في الخطوة 5.1 لحساب عزم الدوران النشط. بينما يوصى بدقيقتين من الراحة هنا في الفئران الصغيرة السليمة ، قد يحتاج وقت الراحة هذا إلى أن يكون أطول (على سبيل المثال ، 3-5 دقائق) في نماذج الشيخوخة أو المرض.
  4. كرر الخطوة أعلاه لمدة 40 مللي أمبير. إذا انخفض عزم الدوران مقارنة ب 30 مللي أمبير ، فإن 30 مللي أمبير هو الحافز الأمثل. إذا كان عزم الدوران البالغ 40 مللي أمبير أكبر ، فقم بالزيادة إلى 50 مللي أمبير وحفزه مرة أخرى بعد دقيقتين من الراحة. إذا انخفض عزم الدوران ، فإن 40 مللي أمبير هو تيار التحفيز الأمثل.
  5. كرر هذه العملية حتى يتم العثور على الحافز الأمثل (أي لم تعد ترى زيادة في إنتاج عزم الدوران بعد زيادة تيار التحفيز). عادة ما يكون تيار التحفيز الأمثل هو 40 مللي أمبير أو 50 مللي أمبير.

5. الانقباضات متساوية التوتر لعلاقة عزم الدوران والسرعة والقوة

  1. قم بإنشاء بروتوكول من شأنه أن يحفز تقلصا متساوي القياس بمقدار 500 مللي ثانية 100 هرتز بزاوية 70 درجة في الكاحل (أي الزاوية الأكثر انثناء ظهرية التي سيذهب إليها نظام الرافعة هذا) (ملف البروتوكول متاح في الملف التكميلي 2). قم بتشغيل هذا البروتوكول. سجل الحد الأقصى لعزم الدوران النشط (أي عزم الدوران الكلي مطروحا منه عزم الدوران السلبي الأساسي قبل التحفيز) الناتج أثناء هذا الانكماش. أستخدم هذه القيمة لتحديد مشابك الحمل في بروتوكولات متساوية التوتر.
  2. في شاشة البروتوكول ، قم بإنشاء بروتوكول لتحريك الكاحل إلى وضع مرن ظهري ، ثم التحفيز لمدة 500 مللي ثانية قبل العودة إلى وضع محايد (الشكل 2 ؛ ملف بروتوكول .dpf المقدم في الملف التكميلي 2).
  3. احسب الأحمال متساوية التوتر المقابلة ل 10٪ و 20٪ و 30٪ و 40٪ و 50٪ و 60٪ و 70٪ و 80٪ من الحد الأقصى لعزم الدوران النشط عند 70 درجة المسجلة في الخطوة 5.1. تأكد أيضا من إضافة عزم الدوران السلبي الأساسي مرة أخرى إلى مشبك الحمل أيضا (انظر المثال في الشكل 2). قم بتشغيل مشابك التحميل هذه بترتيب عشوائي باستخدام الخطوات الموضحة أدناه.
  4. في برنامج DMCv5.5 ، في مربع قوة الإزاحة (الذي تم ضبطه حاليا على 350 من الخطوة 3.1.6) ، اكتب قيمة عزم الدوران المحسوبة (أي القيم المحسوبة في الخطوة 5.3 أعلاه) المقابلة لمشبك الحمل الأول المراد تشغيله. الآن ، قم بتحميل البروتوكول متساوي التوتر الذي تم إنشاؤه في الخطوة 5.2 ، وسيتم تطبيق قوة الإزاحة الجديدة هذه. من خلال ضبط قوة الإزاحة دون القصوى هذه ، سيحدث التقصير عندما يصل عزم الدوران الناتج عن المثنيات الأخمصية إلى هذه القيمة ، وسيظل ثابتا عند هذه القيمة (الشكل 2).
  5. انقر فوق بدء الاختبار لتشغيل البروتوكول. سيحدث تقلص متساوي التوتر.
  6. كرر الخطوتين المذكورتين أعلاه مع دقيقتين من الراحة بين كل مشبك حمل متساوي التوتر حتى يتم إجراء جميع الانقباضات الثمانية متساوية التوتر (10-80٪).

6. الانقباضات متساوية الحركة لعلاقة عزم الدوران والسرعة والقوة

  1. اضبط قوة الإزاحة على 350 ملي نيوتن × م إذا لم تكن موجودة بالفعل.
  2. قم بإنشاء ثمانية بروتوكولات تقصير متساوية الحركة تتوافق مع سرعات تقصير 50 و 100 و 200 و 300 و 400 و 600 و 800 و 1000 درجة / ثانية (ملفات البروتوكول متوفرة في الملف التكميلي 2). في هذه البروتوكولات ، قم أولا بتحريك الكاحل بشكل سلبي إلى 70 درجة (أي الزاوية الأكثر انثناء ظهري المتوفرة في هذا النظام) ، ثم اضبط تحفيز 100 هرتز ليحدث في بداية التقصير ، واستمر مع تحرك الكاحل إلى 120 درجة (أي الزاوية الأكثر انثناء الأخمصي المتوفرة في هذا النظام) (الشكل 3). بعد انتهاء التحفيز ، اضبط الكاحل للعودة إلى الزاوية المحايدة الافتراضية للنظام البالغة 90 درجة.
  3. قم بإجراء كل اختبار من هذه الاختبارات متساوية الحركة بترتيب عشوائي ، مع دقيقتين من الراحة بين كل اختبار.

7. تحليل ملفات الاختبار متساوية التوتر ومتساوية الحركة

  1. تحليل اختبار متساوي التوتر
    1. نظرا لأن الاختبارات متساوية التوتر تستخدم حمولة ثابتة ، فقم بتسجيل السرعة الزاوية أثناء التقصير. لتحليل السرعة الزاوية من هذه الاختبارات، افتح ملف البيانات. قم بتكبير جزء تتبع الموضع الذي يمثل وقت حدوث التقصير متساوي التوتر. انقر فوق تحليل العضلات.
    2. لحساب متوسط المنحدر أثناء التقصير ، انظر إلى عمود الموضع ، وقم بإجراء الحساب: متوسط السرعة الزاوية = (الحد الأدنى للموضع - الحد الأقصى للموضع) / الوقت الإجمالي. لاحظ أن "الحد الأدنى للموقف" يمثل الزاوية الأكثر انثناء ظهريا ، وهو موضع مفصل البداية.
  2. تحليل اختبار متساوي الحركة
    1. نظرا لأن الاختبارات متساوية الحركة تستخدم سرعة ثابتة ، فقم بتسجيل عزم الدوران الناتج أثناء التقصير.
      ملاحظة: تعرض هذه الدراسة طريقتين مختلفتين لتسجيل عزم الدوران من هذه البروتوكولات: متوسط عزم الدوران أثناء التقصير ، وعزم الدوران الأقصى أثناء التقصير. يتم عرض مزايا مقابل عيوب كل منها في النتائج التمثيلية.
    2. افتح ملف البيانات. لتسجيل متوسط عزم الدوران ، قم بتكبير تتبع عزم الدوران أثناء مرحلة التقصير. انقر لفتح نافذة تحليل العضلات . من القيم الواردة في عمود عزم الدوران ، سجل متوسط عزم الدوران على النحو التالي: متوسط عزم الدوران = التكامل / الوقت الإجمالي.
    3. من نافذة تحليل العضلات نفسها، سجل ذروة عزم الدوران كما هو موضح في مربع الحد الأقصى لعزم الدوران .

8. منحنى تركيب عزم الدوران وبيانات السرعة الزاوية

  1. في جدول بيانات ، قم بإنشاء ورقة منفصلة للبيانات متساوية التوتر والبيانات متساوية التوتر لكل فأر. في كل ورقة ، قم بتنظيم البيانات في عمودين: القوة والسرعة. قم بتضمين عزم الدوران الأقصى عند 70 درجة في هذه البيانات ، وهو ما يتوافق مع سرعة 0 درجة / ثانية. قم بتسمية كل ورقة على أنها [اسم الفئران] متبوعة ب [ISOT] أو [ISOK] ، تتوافق مع البيانات متساوية التوتر أو متساوية التوتر ، على التوالي (على سبيل المثال ، "C1BLACK ISOT" أو "C1BLACK AVG ISOK" حيث C1BLACK هو اسم الفئران ؛ انظر الشكل 4 لمزيد من الأمثلة).
    ملاحظة: اصطلاحات التسمية هذه ضرورية لتعليمات Python البرمجية المستخدمة في الخطوة التالية. اصطلاحات التسمية المحددة هذه مطلوبة فقط في ملف جدول البيانات هذا.
  2. اتبع الارتباط الموجود في الملف التكميلي 3 لتشغيل كود Python المخصص، باستخدام الإرشادات الإضافية المتعلقة بالتعليمات البرمجية المتوفرة في الملف التكميلي 3. بمجرد تشغيل الكود ، ستظهر نافذة تطالب الباحث بتحديد جدول البيانات الذي يحتوي على الأوراق الفردية لكل فأر متساوي التوتر ومتساوي التوتر التي تم إجراؤها في الخطوة 8.1. إذا تم تنظيمه بشكل صحيح بناء على الوصف الوارد في الخطوة 8.1 والشكل 4 ، فسيعرض هذا الرمز نافذة تعرض منحنى قوة عزم الدوران والسرعة المناسب لكل مجموعة من البيانات (أمثلة في الشكل 4). في هذا الرمز ، يتم ملاءمة جميع البيانات إلى المعادلةالتالية 1:
    figure-protocol-1
    مع Fmax هو الحد الأقصى لعزم الدوران متساوي القياس 100 هرتز عند 70 درجة ، يمثل F و V عزم دوران مشبك الحمل متساوي التوتر والسرعة الزاوية ، على التوالي ، و a و b يمثلان ثوابت هيل الديناميكية الحرارية مع وحدات عزم الدوران (N • m) والسرعة (° / s) ، على التوالي.
    ملاحظة: بعد أن ينتقي الكود كل مجموعة من بيانات القوة والسرعة ، سينتج ملف Excel جديدا يحتوي ، لكل منحنى مجهز ، على البيانات التالية: أقصى سرعة تقصير (Vmax) ، Fmax ، معاملات a و b ، انحناء منحنى سرعة عزم الدوران (a / Fكحد أقصى) ، قوة الذروة ، قيمة عزم الدوران التي تتوافق مع قوة الذروة ، قيمة السرعة الزاوية التي تتوافق مع ذروة الطاقة ، وقيمة R2 تمثل مدى ملاءمة البيانات التي تم جمعها للمعادلة (الشكل 4).

9. مقارنة بين ملامح عزم الدوران وسرعة الطاقة متساوية التوتر ومتساوية الحركة

  1. للقضاء على مخاطر التحيزات المتعلقة بترتيب الاختبار ، 1) التناوب بين إجراء الاختبارات متساوية التوتر أولا وإجراء الاختبارات متساوية التوتر أولا ؛ و 2) ترتيب الانكماش بشكل عشوائي داخل كل مجموعة من الانقباضات متساوية التوتر (مشابك الحمل من 10 و 20 و 30 و 40 و 50 و 60 و 70 و 80٪ كحد أقصى لعزم الدوران) ومتساوي الحركة (السرعات الزاوية 50 و 100 و 200 و 300 و 400 و 600 و 800 و 1000 درجة / ثانية). حدد نطاق السرعات الزاوية متساوية الحركة وفقا للدراسات السابقة على المثنيات الأخمصية للفئران في الجسم الحي 23.
  2. استخدم ANOVA للمقاييس المتكررة ثنائية الاتجاه لتقييم أوجه التشابه والاختلاف بين منحنيات عزم الدوران والسرعة والقدرة الناتجة عن الطرق الثلاث المستخدمة هنا (متساوي التوتر ، متساوي الحركة مع متوسط عزم الدوران أثناء التقصير ، ومتساوي الحركة مع ذروة عزم الدوران أثناء التقصير) للمتغيرات التالية: Vmax ، معامل a و b ، الانحناء ، ذروة القدرة ، عزم الدوران عند ذروة الطاقة ، السرعة الزاوية عند ذروة الطاقة ، و R2. قم بتطبيق تصحيح Bonferroni على جميع المقارنات الزوجية. اضبط مستوى ألفا على α = 0.05.

النتائج

يوضح الشكل 5 أ علاقات عزم الدوران والسرعة المتولدة من نقاط البيانات الأولية ، ويستخدم الشكل 5 ب متوسط معاملات Fmax و a و b لرسم هذه البيانات المجهزة لمعادلة هيل1 جنبا إلى جنب مع منحنيات عزم الدوران والقدرة ، حيث تم ضرب عزم الدوران والسرعة معا لحساب القوة. تعرض جميع الطرق (متساوي التوتر ، متساوي الحركة باستخدام متوسط عزم الدوران ، متساوي الحركة باستخدام عزم الدوران الذروة) الشكل المتوقع لعلاقة عزم الدوران والسرعة ، مع انخفاض سرعة التقصير الزاوي بشكل زائدي مع زيادة عزم الدوران ، والعكس صحيح ، ومع ذروة الطاقة المنتجة عند مستويات دون الحد الأقصى لكل من عزم الدوران والسرعة.

يوضح الشكل 6 البيانات التي تم الحصول عليها من منحنى تركيب بيانات عزم الدوران والسرعة الزاوية. يتنبأ المنحنى الناتج عن الاختبارات متساوية التوتربحد أقصى أكبر من كلا المنحنيين متساوي التوتر (ص = 0.002 مقارنة بكليهما. الشكل 6 أ). أسفر المنحنى متساوي التوتر أيضا عن قوة ذروة أكبر من المنحنى متساوي التوتر باستخدام متوسط عزم الدوران (ص = 0.006) ، ولكن تم التغلب على هذا التناقض عن طريق استخدام عزم الدوران الأقصى بدلا من ذلك من الاختبارات المتساوية الحركية ، مما أدى إلى قوة ذروة لا تختلف عن تلك الموجودة في المنحنى متساوي التوتر (ص = 1.00) (الشكل 6 ب). تم تحقيق هذه الزيادة في طاقة الذروة باستخدام عزم الدوران الأقصى في المنحنى متساوي الحركة رياضيا عن طريق تقليل انحناء منحنى سرعة عزم الدوران مقارنة باستخدام متوسط عزم الدوران (P < 0.001) (الشكل 6G) ، على الرغم من الحفاظ على نفسالحد الأقصى للجهد الخامس (P = 1.00) (الشكل 6 أ). أدى هذا الانخفاض في الانحناء بسبب استخدام ذروة عزم الدوران من الاختبارات متساوية التوتر أيضا إلى المبالغة في تقدير عزم الدوران عند ذروة الطاقة مقارنة بالمنحنى متساوي التوتر (P < 0.001) ، في حين أن المنحنى متساوي الحركة باستخدام متوسط عزم الدوران يتطابق بشكل أفضل مع عزم الدوران عند ذروة الطاقة من منحنى متساوي التوتر (ص = 1.00) (الشكل 6 ج). مع ذلك ، فإن المنحنى متساوي الحركة باستخدام متوسط عزم الدوران قلل من تقدير السرعة عند ذروة الطاقة مقارنة بالمنحنى متساوي التوتر (P < 0.001) (الشكل 6D). أدى استخدام عزم الدوران الأقصى للمنحنى متساوي الحركة إلى تقريب السرعة عند ذروة الطاقة من سرعة المنحنى متساوي التوتر ، ولكن مع استمرار التقليل من التقدير الطفيف (P = 0.043) (الشكل 6 د). أخيرا ، في حين أن جميع مجموعات البيانات تتناسب مع معادلة هيل (كل R2 > 0.98) بقوة ، كان المنحنى متساوي التوتر أضعف قليلا من المنحنين الآخرين (P = 0.015-0.029). بشكل جماعي ، توضح هذه النتائج كيف أن الانقباضات الديناميكية ذات الحمل الثابت ، والتي تشبه بشكل أفضل حركات العالم الحقيقي ، تسفر عن نتائج مختلفة مقارنة بالانكماشات الديناميكية ذات السرعة الثابتة الأكثر استخداما في تقييم علاقة عزم الدوران والسرعة والقوة.

جميع البيانات الفردية متاحة للجمهور على: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.29099018.v2

figure-results-1
الشكل 1: تصوير كيفية إعداد الفئران للاختبار في الجسم الحي للوظيفة الميكانيكية للمثنية الأخمصية. يتم وضع الجرذ على منصة ساخنة تحت مخدر الأيزوفلوران. يتم لصق القدم بإحكام على دواسة القدم مع إحكام الكعب ، ويتم دفع المشبك في الساق لتثبيت أسفل الساق في مكانه. تساعد مقابض الضبط 1 و 2 و 3 في الوضع الأمثل للساق في وضع ممدود للركبة والمحاذاة التشريحية مع محور دواسة القدم. ينتشر الجل الموصل على المواقع القريبة والبعيدة لمجموعة العضلات المثنية الأخمصية. يقوم حامل القطب الكهربائي بتأمين الأقطاب الكهربائية في مكانها للتحفيز عبر الجلد. دفع الترس الموجود على جهاز تثبيت القطب الكهربائي المخصص الأقطاب الكهربائية لأعلى على الجلد الذي يغطي العضلات المثنية الأخمصية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2
الشكل 2: مثال على آثار عزم الدوران والموضع والتحفيز الخام لتحفيز متساوي القياس 100 هرتز بزاوية 70 درجة في الكاحل ، والذي تم استخدامه بعد ذلك لتحديد ذروة عزم الدوران في الانقباضات متساوية التوتر مع ضبط الأحمال على 10٪ إلى 80٪ من ذروة عزم الدوران. وشملت مثال على حساب وضبط الحمل متساوي التوتر من أجل تقلص متساوي التوتر بنسبة 30٪. لاحظ أنه عند ضبط مشبك الحمل ("قوة الإزاحة") ، يمثل الحمل المحسوب نسبة مئوية من ذروة عزم الدوران النشط 100 هرتز (أي عزم الدوران الكلي مطروحا منه عزم الدوران السلبي الأساسي) ، ولكن تتم إضافة عزم الدوران السلبي الأساسي مرة أخرى لأن النظام لا يمكنه التمييز بين عزم الدوران الكلي وعزم الدوران النشط. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3
الشكل 3: مثال على عزم الدوران الخام وآثار الموضع للتقلصات متساوية الحركة ، والتي تم من خلالها قياس الذروة ومتوسط عزم الدوران أثناء التقصير. الاختبارات المقدمة بسرعات 50 و 100 و 200 و 300 و 400 و 600 و 800 و 1000 درجة / ثانية (المشار إليها في لوحات تتبع الموضع). تشير الخطوط الرأسية المتقطعة في قراءة "التحفيز" إلى بداية ونهاية التحفيز الكهربائي (التحفيز الحقيقي غير مرئي في هذه الصور لقراءات البيانات). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4
الشكل 4: تصوير الخطوات المطلوبة لتركيب منحنى عزم الدوران (المسمى ب "القوة" هنا) وبيانات السرعة. بعد ترتيب كل مجموعة فردية من بيانات عزم الدوران والسرعة في ورقتها الخاصة المسماة [اسم الفئران] [ISOK أو ISOT] (ISOT = متساوي التوتر ، ISOK = متساوي التوتر) ، يتم تشغيل الكود. ستظهر نافذة تطالب بتحديد ملف Excel. بعد تحديد الملف الذي يحتوي على جميع الأوراق المسماة ، سيظهر كل منحنى واحدا تلو الآخر ، مما يسمح بفحصها بصريا للتأكد من عدم وجود أخطاء في البيانات التي تم إدخالها. يعرض كل منحنى الحد الأقصى لسرعة التقصير (Vmax) ، وقيمة عزم الدوران القصوى (Fmax) التي كان من الممكن إدخالها من البيانات المقاسة ، ومعاملات المنحنى a و b ، وانحناء منحنى سرعة عزم الدوران (a / Fكحد أقصى) ، وقوة الذروة ، وقيمة عزم الدوران التي تتوافق مع قوة الذروة ("Opt Force") ، وقيمة السرعة الزاوية التي تتوافق مع ذروة الطاقة ("Opt Vel") ، وقيمة R2 التي تمثل مدى ملاءمة البيانات التي تم جمعها للمعادلة. بعد النقر فوق كل منحنى ، سيتم إنشاء ملف Excel تلقائيا يحتوي على جميع البيانات التي تم إنتاجها من تركيب المنحنى لكل منحنى تم النقر فوقه للتو. تذكر حفظ هذا الملف قبل الإغلاق. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5
الشكل 5: منحنيات عزم الدوران والسرعة الزاوية والطاقة. (أ) منحنيات سرعة عزم الدوران الزاوية التي تم إنشاؤها من البيانات الأولية للاختبارات متساوية التوتر (الأخضر) ، والاختبارات متساوية الحركة باستخدام متوسط عزم الدوران أثناء التقصير (أزرق) ، والاختبارات متساوية الحركة باستخدام ذروة عزم الدوران أثناء التقصير (برتقالي). (ب) متوسط المنحنيات المتولدة من تركيب هذه البيانات في معادلة هيل1 جنبا إلى جنب مع منحنيات قوة عزم الدوران التي تم إنشاؤها من ضرب عزم الدوران والسرعة الزاوية معا. يتم تقديم البيانات الموجودة في اللوحة A كمتوسط ± الانحراف المعياري. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6
الشكل 6: البيانات التي تم الحصول عليها من منحنى تركيب بيانات عزم الدوران والسرعة الزاوية. مقارنة بين (أ) الخامسالأقصى ، (ب) ذروة القدرة ، (ج) عزم الدوران عند ذروة الطاقة ، (د) السرعة عند ذروة الطاقة ، (ه) معامل أ ، (F) معامل b ، (G) الانحناء ، و (H) R2 بين المنحنيات الناتجة عن اختبارات متساوي التوتر (ISOT) ، والاختبارات متساوية الحركة باستخدام متوسط عزم الدوران (ISOK AVG) ، والاختبارات متساوية الحركة باستخدام ذروة عزم الدوران (ISOK PEAK). *فرق معنوي (P < 0.05). يتم تقديم البيانات على أنها متوسط ± الانحراف المعياري. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الملف التكميلي 1: تعليمات بناء حامل القطب الكهربائي وملفات الطباعة ثلاثية الأبعاد (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.28574951.v1)

الملف التكميلي 2: ملفات بروتوكول .dpf لنظام 3 في 1 من Aurora Scientific (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.29099018.v2)

الملف التكميلي 3: كود Python لبيانات سرعة عزم الدوران الزاوية لتركيب المنحنى (https://github.com/ahinks192/Torque-Velocity-Curve)

المناقشة

تعرض الدراسة الحالية إعدادا جديدا للاختبار في الجسم الحي للوظيفة الميكانيكية للمثنية الأخمصية للفئران باستخدام التحفيز الكهربائي عبر الجلد. على وجه التحديد ، توضح الدراسة الحالية كيفية تقييم علاقة عزم الدوران والسرعة الزاوية والقدرة باستخدام تقلصات متساوية التوتر ، والتي تتماشى بشكل أفضل مع ظروف الحمل الثابت والمعتمدة على السرعة للحركات التي تحدث خارج المختبر من الانقباضات متساوية الحركة. ومع ذلك ، يمكن أيضا تقديم كيفية تحسين القياسات من علاقة عزم الدوران الزاوي والسرعة والقوة المتساوية الحركية لتقليد نتائج الانقباضات متساوية التوتر. نظرا للطبيعة القابلة للتكرار لهذا الإعداد التجريبي ، فإن هذه التقييمات للأداء الديناميكي على مستوى المفاصل لديها القدرة على تحسين فهم العمر والمرض والشلل والتدخلات الرياضية المختلفة بشكل كبير على وظيفة انقباض العضلات في نماذج القوارض. في الواقع ، تم استخدام هذا الإعداد سابقا لمقارنة الوظيفة الميكانيكية للمثنية الأخمصية بين الفئران الصغيرة والقديمة ، وقبل وبعد تدخلات الصب والتدريب35،36،37،38،28.

من المزايا المهمة لاستخدام البروتوكولات متساوية التوتر على البروتوكولات متساوية التوتر أن البروتوكولات متساوية التوتر يمكن أن تكون أكثر تفردية لجرذ معين. تبدأ البروتوكولات متساوية التوتر بتحديد الحد الأقصى لقدرة إنتاج عزم الدوران ، ثم يتم تطبيع مشابك الحمل إلى تلك القيمة المحددة (أي أن المنحنى متساوي التوتر له اختلاف في كل من محوري عزم الدوران والسرعة في الشكل 5 أ). باستخدام البروتوكولات متساوية الحركة، لا يمكن تحديد Vmax مقدما، وبالتالي، لا يمكن تطبيع نطاق السرعات الزاوية دون القصوى إلى قيمة السرعة القصوى وبدلا من ذلك استخدام نطاق قياسي من السرعات الزاوية (أي أن المنحنى متساوي الحركة له اختلاف فقط في محور عزم الدوران). يمكن أن يصبح هذا النطاق القياسي مشكلة للفئران التي تتمتع جوهرها بقدرة إنتاج أبطأ على السرعة (على سبيل المثال ، مع تقدم العمر16،40) ، حيث أن الاختبارات ستلتقط فقط نطاقا أصغر من منحنى سرعة عزم الدوران الزاوي ، مع بعض السرعات القياسية التي من المحتمل أن تقع بالقرب من Vmax أو بعدها. وبالتالي ، تسمح الانقباضات متساوية التوتر بثقة أفضل في التقاط تمثيل كامل لمنحنى سرعة عزم الدوران الزاوي ، وبالتالي إنتاج الطاقة ، في أي وقت لأي حالة صحية. بمعنى آخر ، كما لاحظ طومسون18 مؤخرا ، لا توفر الاختبارات متساوية التوتر أي تمييز بين قياسات عزم الدوران والطاقة لأن السرعات مقيدة عبر جميع المشاركين ، في حين أن الاختبارات متساوية التوتر تفصل بين قياسات عزم الدوران والطاقة عن طريق تخصيص الأحمال إلى أقصى قدرة عزم دوران لمشارك معين والتقاط المقايضة بين عزم الدوران والسرعة بشكل أفضل.

قد تفسر القدرة على إضفاء الطابع الفردي بشكل أفضل على الانقباضات متساوية التوتر سبب أن علاقة عزم الدوران والسرعة والقوة التي تم إنشاؤها من الانقباضات متساوية التوتر أسفرت عنV كحد أقصى أعلى من أي من الطرق متساوية التوتر (الشكل 6 أ). ومن ثم ، إذا كان الهدف الأساسي للدراسة هو تقييم التغيرات في Vmax (على سبيل المثال ، قبل المقارنة مع بعد التدخل التدريبي) ، فيجب استخدام الانقباضات متساوية التوتر لأن الانقباضات متساوية التوتر يمكن أن تقلل من شأن هذه القيمة. ومع ذلك ، إذا كانت الدراسة مهتمة بدلا من ذلك بتوضيح التغيرات في ذروة الطاقة ، فيمكن أن تكون قيم الطاقة الناتجة عن الانقباضات متساوية التوتر مشابهة للتقلصات متساوية التوتر عن طريق تسجيل ذروة عزم الدوران (على عكس متوسط عزم الدوران) أثناء التقصير متساوي الحركة (الشكل 6 ب).

يمكن أن يكون قياس عزم الدوران عند ذروة الطاقة والسرعة عند ذروة الطاقة مفيدا أيضا لتقييم ما إذا كان يتم الاعتماد على إنتاج عزم الدوران أو السرعة بشكل أكبر للأداء الديناميكي. على سبيل المثال ، إذا لم يظهر المرض أي تغيير في قوة الذروة ولكن زيادة في عزم الدوران عند ذروة الطاقة وانخفاض في السرعة عند ذروة الطاقة ، فإن هذا المرض يؤثر بشكل غير متناسب على السرعة ، ويعوض إنتاج عزم الدوران للحفاظ على خرج الطاقة. إذا حاولت الحصول على قيم عزم الدوران عند ذروة القدرة والسرعة عند ذروة القدرة من الانقباضات متساوية الحركة المشابهة للقيم التي تم الحصول عليها من الانقباضات متساوية التوتر ، فيجب استخدام كلتا الطريقتين متساوي الحركة المعروضة في هذه الدراسة. بالنسبة لعزم الدوران عند ذروة الطاقة ، فإن تسجيل متوسط عزم الدوران من الانقباضات متساوية الحركة يتطابق بشكل وثيق مع ذلك الذي تم الحصول عليه من علاقة عزم الدوران والسرعة متساوية التوتر (الشكل 6 ج). على العكس من ذلك ، بالنسبة للسرعة عند ذروة الطاقة ، فإن تسجيل عزم الدوران الأقصى من الانقباضات متساوية الحركة يتطابق بشكل وثيق مع تلك التي تم الحصول عليها من علاقة عزم الدوران والسرعة متساوية التوتر ، ومع ذلك ، لا يزال مع تقليل من 15٪ (الشكل 6 د). أشار تعليق حديث18 إلى أنه إذا كان يهدف إلى وصف القدرات الوظيفية للعضلات بشكل شامل ، فقد يكون من المرغوب فيه تسجيل كل من الاختبارات متساوية التوتر ومتساوي التوتر بغض النظر ، مع الاختبارات متساوية التوتر الموصى بها لتقييم ذروة الطاقة والاختبارات متساوية الحركة اللازمة لتقييم ذروة إنتاج عزم الدوران أثناء تقصير العضلات.

يتميز الإعداد التجريبي المعروض في هذه الدراسة أيضا بمزايا لتحسين سير عمل المختبر مقارنة بالطرق التقليدية (على سبيل المثال ، الأقطاب الكهربائية الساكنة ، الأصفاد العصبية الطرفية) لتقييم الأداء الميكانيكي في الجسم الحي في القوارض. يسمح حامل القطب الكهربائي المخصص بالضبط السريع لارتفاع الأقطاب الكهربائية ، وتعديل المسافة بين الأقطاب الكهربائية (عبر الثقوب الموجودة في قطعة حامل القطب الأحمر ؛ الشكل 1) ليناسب طول ساق أي فأر فردي. تسهل هذه الميزات أيضا مطابقة وضع / موقع القطب الكهربائي على نفس الفئران بين جلسات الاختبار المنفصلة ، وهو أمر مفيد بشكل خاص لدراسات التدريب الطولي. في الواقع ، تم الانتهاء من جلسة تدريب مقاومة نموذجية (4 مجموعات من 8-10 تكرار) على هذا الإعداد بمعدل ~ 15 دقيقة لكل فأر ، أو 10 فئران في ~ 2.5 ساعة مع اختبار مستمر35،36،37. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من أنه ليس هو التركيز هنا ، فقد طورت مجموعة البحث الحالية قطعة حامل قطب كهربائي أصغر لاختبار الوظيفة الميكانيكية للأخمص للفأر في الجسم الحي وكذلك41.

على الرغم من المزايا المنهجية لهذا الإعداد ، إلا أن هناك بعض القيود التي يجب ملاحظتها. استخدمنا هنا نطاق حركة الكاحل من 70 درجة إلى 110 درجة لأن هذا هو الحد الأقصى لنظام محول الطاقة الذي استخدمناه ، وموضع أرجل أكثر اتساعا لتحسين إنتاج عزم الدوران كما هو موضح في تجاربنا السابقة35،36،37،38،28 - ومع ذلك ، يسمح هذا الإعداد بتعديل هذه المواضع (على سبيل المثال ، وضع الركبة المثني ، نطاق مختلف لحركة الكاحل ، وإعدادات تنشيط مختلفة) لتناسب الاحتياجات التجريبية لباحث معين. وتجدر الإشارة أيضا إلى أن هذا الإعداد لا يلتقط بشكل كامل السلوك الديناميكي متغير الطول المميز لوظيفة العضلات في الجسم الحي أثناء الحركة ، حيث يمكن أن تحدث تغييرات في التحميل أثناء التحولات بين زوايا المفاصل التي لا يمكن تنفيذها للأسف في هذه التجارب أحادية المفصل الخاضعة للرقابة. أخيرا ، استخدم البروتوكول الحالي معادلة هيل لتناسب بيانات عزم الدوران والسرعة الزاوية ، والتي تفترض منحنى على شكل زائدي. في حين أن شكل المنحنى هذا موثوق به لتحديد طاقة الذروة (التي تحدث عند مستويات دون القصوى من القوة والسرعة) ، إلا أنه قد يبالغ في تقدير Vmax بسبب الشكل الزائدي المزدوج الذي غالبا ما يتم ملاحظته لعلاقة القوة والسرعة2،42. ومن ثم ، إذا كان هدف الباحث هو تقييم Vmax بشكل أساسي باستخدام الإعداد التجريبي المقدم هنا ، فيمكن التوصية بملاءمة هذه البيانات مع منحنى زائدي مزدوج أكثر تعقيدابالإضافة إلى 2،42.

كانت علاقات عزم الدوران المتساوي ومتساوي الحركة والسرعة الزاوية المعروضة هنا قوية (R2 > 0.98) تتناسب مع معادلة هيل (الشكل 6H). ومع ذلك ، نظرا للقيود المذكورة أعلاه لعلاقات عزم الدوران المتساوي الحركي والسرعة الزاوية والقدرة ، يوصى باستخدام اختبارات متساوية التوتر عندما يكون ذلك ممكنا ، خاصة إذا كان يهدف إلى تقييم قدرة الذروة. إذا كان لا بد من استخدام الاختبارات متساوية الحركية بدلا من ذلك ، فيمكن استخدام نتائج هذه المقالة كدليل لفهم القيود وتعظيم قابلية الترجمة إلى تقلصات الحمل الثابت.

الإفصاحات

كريستوفر راند وماثيو بوركوفسكي موظفان في شركة Aurora Scientific، Inc.

شكر وتقدير

نشكر موظفي رعاية في صحة الإنسان وعلوم التغذية على المساعدة في رعاية فئراننا. تم دعم هذا المشروع من قبل مجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة الكندي (NSERC) ، رقم المنحة RGPIN-2024-03782 ، ومنحة NSERC Alliance (ALLRP 603969-25) مع Aurora Scientific inc.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
1-1/2" مسامير التشطيب الناعمة المجلفنة بالفولاذ مجموعة هيلمان كندا ULC، بيكرينغ، أونتاريو، كنداhttps://shop.hillmangroup.ca/ccrz__ProductDetails?sku=461146&cclcl=en_USلحامل القطب المخصص (تعليمات البناء في الشكل الإضافي 1)
جهاز الفئرانشركة أورورا العلمية (أورورا، أونتاريو، كندا)806D 
ملحق مخصص لتثبيت الأقطاب الكهربائي مصمم باستخدام Tinkercad (برنامج مفتوح المصدر) ومطبوع ثلاثي الأبعادAutodesk Tinkercad www.tinkercad.comلحامل القطب المخصص (تعليمات البناء في الشكل الإضافي 1)
محفز ثنائي الطور عالي القدرةشركة أورورا العلمية (أورورا، أونتاريو، كندا)701C
قطع LEGOBrickLink.comانظر الشكل التكميلي S1 لرموز BrickLink.com لجميع أنظمة LEGO®؛ الأجزاءلحامل القطب المخصص (تعليمات البناء في الشكل الإضافي 1)
جل الإلكترود سبكترا 360سبيكتراhttps://www.orthocanada.com/en/spectra-electrode-gel?utm_term=&utm_campaign=Canada+EN+-+Search+-+OrthoCanada&utm_source=adwords&utm_medium=ppc&hsa_acc=1971735470&hsa_cam=136169080&hsa_grp=139530010212&hsa_ad=586754644289&hsa_src=g&hsa_tgt=dsa-19959388920&hsa_kw=&hsa_mt=&hsa_net=adwords&hsa_ver=3&gad_source=1&gad_campaignid=136169080&gbraid=0AAAAAD1V26BmzV4eR9tkH_8Truu4W7uu6&gclid=Cj0KCQjwnJfEBhCzARIsAIMtfKLpFSpoPZdXDBtyR8sRgHYCfYuELZFPs4g8U6r8t4_chBuz5KF0pBIaAoQ3EALw_wcB
مرهم سيستان ليلي للعينسيستانhttps://www.amazon.ca/dp/B004RSQGWC?ref=nb_sb_ss_w_as-reorder_k0_1_12&=&crid=38CVEZ82H7F4&=&sprefix=eye+ointment
عشر إناث فئران سبراج-داوليمختبرات تشارلز ريفر (سينيفيل، كيبيك، كندا)رمز الإجهاد: 001
شريط النقل الجراحي3M (ميلتون، أونتاريو، كندا)1527
كريم فيت بيور لإزالة الشعرفيتhttps://www.walmart.ca/en/ip/Veet-Pure-Hair-Removal-Cream-Legs-Body-Sensitive-Skin-400-mL/10032637
سخان المياه/جهاز تدوير المياهشركة أورورا العلمية (أورورا، أونتاريو، كندا)827A 

المراجع

  1. Hill, A. V., Sec, R. S. The heat of shortening and the dynamic constants of muscle. Proc R Soc Lond B Biol Sci. 126 (843), 136-195 (1938).
  2. Alcazar, J., Csapo, R., Ara, I., Alegre, L. M. On the shape of the force-velocity relationship in skeletal muscles: the linear, the hyperbolic, and the double-hyperbolic. Front Physiol. 10, 769(2019).
  3. Araújo, C. G. S., et al. Muscle power versus strength as a predictor of mortality in middle-aged and older men and women. Mayo Clin Proc. 100 (8), 1319-1331 (2025).
  4. Farris, D. J., Sawicki, G. S. Human medial gastrocnemius force-velocity behavior shifts with locomotion speed and gait. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (3), 977-982 (2012).
  5. Clemente, C. J., Richards, C. Muscle function and hydrodynamics limit power and speed in swimming frogs. Nat Commun. 4, 2737(2013).
  6. Yeo, S. H., Monroy, J. A., Lappin, A. K., Nishikawa, K. C., Pai, D. K. Phenomenological models of the dynamics of muscle during isotonic shortening. J Biomech. 46 (14), 2419-2425 (2013).
  7. Lappin, A. K., Monroy, J. A., Pilarski, J. Q., Zepnewski, E. D., Pierotti, D. J., Nishikawa, K. C. Storage and recovery of elastic potential energy powers ballistic prey capture in toads. J Exp Biol. 209 (13), 2535-2553 (2006).
  8. Charles, J. P., Kissane, R. W. P., Askew, G. N. The impacts of muscle-specific force-velocity properties on predictions of mouse muscle function during locomotion. Front Bioeng Biotechnol. 12, 1436004(2024).
  9. Jinha, A., Herzog, W. Muscle power: a simple concept causing much confusion. J Sport Health Sci. 14, 101005(2025).
  10. Andersen, L. L., et al. Changes in the human muscle force-velocity relationship in response to resistance training and subsequent detraining. J Appl Physiol. 99 (1), 87-94 (2005).
  11. Hinks, A., et al. Power loss is attenuated following a second bout of high intensity eccentric contractions due to the repeated bout effect’s protection of rate of torque and velocity development. Appl Physiol Nutr Metab. 46 (5), 461-472 (2020).
  12. Dalton, B. H., Power, G. A., Paturel, J. R., Rice, C. L. Older men are more fatigable than young when matched for maximal power and knee extension angular velocity is unconstrained. Age. 37 (3), 49(2015).
  13. Power, G. A., Dalton, B. H., Rice, C. L., Vandervoort, A. A. Delayed recovery of velocity-dependent power loss following eccentric actions of the ankle dorsiflexors. J Appl Physiol. 109 (3), 669-676 (2010).
  14. Dalton, B. H., Allen, M. D., Power, G. A., Vandervoort, A. A., Rice, C. L. The effect of knee joint angle on plantar flexor power in young and old men. Exp Gerontol. 52, 70-76 (2014).
  15. Power, G. A., Dalton, B. H., Rice, C. L., Vandervoort, A. A. Peak power is reduced following lengthening contractions despite a maintenance of shortening velocity. Appl Physiol Nutr Metab. 38 (12), 1196-1205 (2013).
  16. McNeil, C. J., Rice, C. L. Fatigability is increased with age during velocity-dependent contractions of the dorsiflexors. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 62 (6), 624-629 (2007).
  17. Knight, K. L., Ingersoll, C. D., Bartholomew, J. Isotonic contractions might be more effective than isokinetic contractions in developing muscle strength. J Sport Rehabil. 10 (2), 124-131 (2001).
  18. Thompson, B. J. It’s time to re-evaluate the reporting of common measures from isokinetic dynamometers: isokinetic for torque, isotonic for power. Front Sports Act Living. 7, 1472712(2025).
  19. Leeuwenburgh, C., Gurley, C. M., Strotman, B. A., Dupont-Versteegden, E. E. Age-related differences in apoptosis with disuse atrophy in soleus muscle. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 288 (5), R1288-R1296 (2005).
  20. Padilla, C. J., et al. Profiling age-related muscle weakness and wasting: neuromuscular junction transmission as a driver of age-related physical decline. Geroscience. 43 (3), 1265-1281 (2021).
  21. Fuqua, J. D., et al. Impaired proteostatic mechanisms other than decreased protein synthesis limit old skeletal muscle recovery after disuse atrophy. J Cachexia Sarcopenia Muscle. 14 (5), 2076-2089 (2023).
  22. Ochi, E., Nakazato, K., Ishii, N. Effects of eccentric exercise on joint stiffness and muscle connectin (titin) isoform in the rat hindlimb. J Physiol Sci. 57 (1), 1-6 (2007).
  23. Warren, G. L., Stallone, J. L., Allen, M. R., Bloomfield, S. A. Functional recovery of the plantarflexor muscle group after hindlimb unloading in the rat. Eur J Appl Physiol. 93 (1-2), 130-138 (2004).
  24. Herzog, W., Leonard, T. R. Force enhancement following stretching of skeletal muscle: a new mechanism. J Exp Biol. 205 (Pt 9), 1275-1283 (2002).
  25. Lewis, M. T., Kasper, J. D., Bazil, J. N., Frisbee, J. C., Wiseman, R. W. Skeletal muscle energetics are compromised only during high-intensity contractions in the Goto-Kakizaki rat model of type 2 diabetes. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 317 (2), R356-R368 (2019).
  26. Hill, C., James, R., Cox, V., Tallis, J. Does dietary-induced obesity in old age impair the contractile performance of isolated mouse soleus, extensor digitorum longus and diaphragm skeletal muscles. Nutrients. 11 (3), 505(2019).
  27. Yuan, L., et al. The atypical β-blocker S-oxprenolol reduces cachexia and improves survival in a rat cancer cachexia model. J Cachexia Sarcopenia Muscle. 14 (1), 653-660 (2023).
  28. Hinks, A., Power, G. A. Age-related differences in the loss and recovery of serial sarcomere number following disuse atrophy in rats. Skeletal Muscle. 14 (1), 18(2024).
  29. Hulst, J. B., Minamoto, V. B., Lim, M. B., Bremner, S. N., Ward, S. R., Lieber, R. L. Systematic test of neurotoxin dose and volume on muscle function in a rat model. Muscle Nerve. 49 (5), 709-715 (2014).
  30. Wang, X., et al. Human neural stem cells transplanted during the sequelae phase alleviate motor deficits in a rat model of cerebral palsy. Cytotherapy. 26 (12), 1491-1504 (2024).
  31. Baltgalvis, K. A., Call, J. A., Cochrane, G. D., Laker, R. C., Yan, Z., Lowe, D. A. Exercise training improves plantar flexor muscle function in mdx mice. Med Sci Sports Exerc. 44 (9), 1671-1679 (2012).
  32. Sam, M., Shah, S., Fridén, J., Milner, D. J., Capetanaki, Y., Lieber, R. L. Desmin knockout muscles generate lower stress and are less vulnerable to injury compared with wild-type muscles. Am J Physiol Cell Physiol. 279 (4), C1116-C1122 (2000).
  33. Mintz, E. L., Passipieri, J. A., Lovell, D. Y., Christ, G. J. Applications of in vivo functional testing of the rat tibialis anterior for evaluating tissue engineered skeletal muscle repair. J Vis Exp. (116), e54487(2016).
  34. Song, H., Nakazato, K., Nakajima, H. Effect of increased excursion of the ankle on the severity of acute eccentric contraction-induced strain injury in the gastrocnemius: an in vivo rat study. Am J Sports Med. 32 (5), 1263-1269 (2004).
  35. Hinks, A., Patterson, M. A., Njai, B. S., Power, G. A. Age-related blunting of serial sarcomerogenesis and mechanical adaptations following 4 weeks of maximal eccentric resistance training. J Appl Physiol. 136 (5), 1209-1225 (2024).
  36. Hinks, A. A., Vlemmix, E., Power, G. A. Submaximal eccentric resistance training increases serial sarcomere number and improves dynamic muscle performance in old rats. Physiol Rep. 12 (19), e70036(2024).
  37. Hinks, A., Vlemmix, E., Power, G. A. Submaximal eccentric training during immobilization does not prevent serial sarcomere loss or impairments in mechanical function in old or young rats. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 80 (7), glaf082(2025).
  38. Vlemmix, E., Hinks, A., Power, G. A. Serial sarcomerogenesis does not contribute to the initial repeated bout effect in skeletal muscle. J Biomech. 187, 112767(2025).
  39. Oh, S. S., Narver, H. L. Mouse and rat anesthesia and analgesia. Curr Protoc. 4 (2), e995(2024).
  40. Paris, M. T., McNeil, C. J., Power, G. A., Rice, C. L., Dalton, B. H. Age-related performance fatigability: a comprehensive review of dynamic tasks. J Appl Physiol. 133 (4), 850-866 (2022).
  41. Hinks, A., et al. Time course changes in in vivo muscle mechanical function and Ca2+ regulation of force following experimentally induced gradual ovarian failure in mice. Exp Physiol. 109 (5), 711-728 (2024).
  42. Edman, K. A. Double-hyperbolic force-velocity relation in frog muscle fibres. J Physiol. 404 (1), 301-321 (1988).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة