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构建恒定负荷（等张）与恒定速度（等速）的力矩-速度-功率曲线 在体 用于大鼠跖屈肌

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DOI：

10.3791/68858

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2025年10月3日

 ,  ,  ,  , 
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

本文内容

摘要

本文介绍了一种无创测量扭矩-角速度-功率关系的新方案 体内 使用经皮肌肉刺激法在大鼠跖屈肌中进行实验。该设置可通过力传感器/长度控制器系统简便地测试等张肌肉收缩，以更真实地模拟日常活动中恒定负荷的特性。

摘要

理解肌肉的力矩-速度-功率关系对于评估动态肌肉功能至关重要，这在健康与疾病状态下均具有重要意义。尽管在人体研究中常采用等速（恒定速度）或等张（恒定负荷）收缩来评估这一关系，但由于在商用系统上实施等张负荷钳实验的复杂性，啮齿类动物模型几乎完全依赖等速收缩。等张收缩更能反映人体在实验室外实际运动中所经历的恒定负荷状态。本文介绍了一种新颖且微创的经皮电刺激方案，以及一套用于评估等张条件下力矩-角速度-功率关系的逐步操作流程。 体内 用于大鼠跖屈肌。在10只Sprague-Dawley大鼠中比较了等张与等速扭矩-角速度-功率曲线。等张收缩产生的最大缩短速度（V最大值）以及峰值功率相比，使用平均扭矩的等速收缩存在差异。然而，在测量等速收缩的峰值扭矩时，由于扭矩-角速度曲线的曲率减小，等速峰值功率与等张峰值功率更为接近。此外，达到峰值功率时的扭矩和速度因所采用的实验方案类型不同而有所差异。所有数据集均与希尔方程高度吻合（R2 > 0.98），尽管等张数据的拟合效果“最弱”，这可能是由于恒定负荷收缩具有更大的变异性所致。根据这些发现，建议在可能的情况下使用等张收缩，特别是当旨在评估V时最大 或峰值功率。如果必须使用等速测试，本文提供了有价值的信息，以帮助理解其局限性，并最大限度地提高向恒定负荷收缩的可转化性。

引言

在研究肌肉功能如何随运动、发育、衰老或疾病而变化时，基础研究通常仅评估等长收缩（即肌肉长度或关节角度保持恒定）条件下的力或力矩输出。然而，自20世纪30年代A.V. Hill的开创性工作以来1，肌肉功能实验已逐步扩展至动态条件，开始评估力、速度及其乘积——功率之间的关系2,3,4,5,6,7,8。随着肌肉缩短速度的增加，肌动蛋白与肌球蛋白之间形成产力横桥的概率降低，从而产生力-速度曲线所特有的反向双曲线形状1,2。因此，功率能够整体反映肌肉的动态表现，体现出在实现最大功率时，亚最大力与亚最大速度之间的权衡关系9。针对人类的研究尤其已发展到使用全身测力系统（如HUMAC或Biodex），可通过等速（isokinetic10，即恒定角速度）或恒负荷（isotonic11,12,13,14,15,16，即恒定负载）运动来评估力矩-速度-功率关系。在这两类运动中，恒负荷收缩更接近于实验室外实际发生的恒定负载运动条件，使参与肌肉承担起移动负载的挑战；而等速收缩则较为不自然，因为测力仪的力传导杠杆臂只能以固定的角速度运动12,16,17,18。

过去二十年来，用于评估啮齿类动物肌肉功能的小型测力系统也取得了显著进展19,20,21,22,23,24。啮齿类动物模型为研究多种对肌肉产生不利影响的疾病提供了几乎无限的临床前研究可能性，包括2型糖尿病25、肥胖26、癌症恶病质27、肌肉减少症19,28、痉挛性脑性瘫痪29,30、杜氏肌营养不良症31、结蛋白病32等。通过在外周神经或经皮肌肉电刺激下使用麻醉状态的活体动物，现已能够实现对肌肉功能进行重复的纵向测量33,34。然而，由于这些收缩必须通过电刺激诱发，因此更适用于构造力矩-速度-功率关系的等速收缩，而非等张收缩（后者需要更精细的方法）。此外，植入外周神经套管或通过针电极直接刺激肌肉属于侵入性操作，需要手术或将留置电极小心地穿过皮肤插入，因此重复使用可能带来不良反应或结果不一致的风险，从而影响同一只动物在多次测试之间的数据可比性。

此处介绍一种用于评估的新型装置 体内 采用经皮（即皮肤外）肌肉刺激结合力传感器/长度控制器系统，以一种稳定且微创的方法，呈现大鼠的力矩-角速度-功率关系。此外，本研究提供了基于该技术构建的等张与等速力矩-速度-功率曲线之间的比较，并根据两种操作方法的技术细节，提出了相应的技术与方法学建议。

方案

所有实验方案均经圭尔夫大学动物护理委员会（AUP #4905）批准，并遵循加拿大动物护理委员会的指导方针。

注意：构建电极夹持装置、将大鼠固定在力传感器/长度控制器系统中，以及采集扭矩、位置和角速度数据时，需要使用材料表中列出的材料。

1. 动物

  1. 取10只雌性Sprague Dawley大鼠（年龄：11周；体重：228 ± 21 g）。
  2. 将大鼠在23 °C环境下以每组2至3只进行饲养，并自由摄取Teklad全球18%蛋白质啮齿类动物饲料和室温水。

2. 自制电极架

  1. 主要使用市售的构建部件制作用于经皮刺激的定制电极支架，其构建说明见补充文件1。
  2. 使用附在补充文件1中的STL文件自定义设计并3D打印电极支架部件。
    注意：该电极支架部件包含用于固定1-1/2英寸镀锌光面钢钉的孔。钢钉在这些孔中的位置可根据被测大鼠的个体大小/位置进行调整。钢钉上焊接有阴极和阳极导线，可连接至高功率双相刺激器，以对跖屈肌群实施经皮刺激。

3. 初始 体内 机械测试装置

  1. 启动体内系统
    1. 打开热泵并将其设定为 37 °C。
    2. 打开计算机，启动 DMCv5.5 软件。
    3. 在刺激器盒上，拨动较大的电源开关和较小的输出开关。
    4. 打开双模式杠杆系统的电源开关。
    5. 在软件中点击协议，加载一个在踝关节角度为 90°（即软件默认的中立角度）时产生持续 500 毫秒、100 Hz 收缩（脉冲宽度 0.1 毫秒）的协议。
      ​注意：如何设计协议的具体步骤不在本研究范围内，相关信息可参阅特定系统的操作手册。
    6. 将偏移力设置为 350 mN×m（本系统可记录的最大扭矩；大鼠几乎不可能超过该值28,35,36,37,38），然后加载该协议。
    7. 将系统上的开关拨至运行，确保脚踏板（见图 1标注）已牢固锁定到位。
  2. 准备大鼠
    1. 按照所在研究机构的标准操作规程使用异氟烷对大鼠进行麻醉39（例如，此处采用圭尔夫大学啮齿类动物麻醉培训指南：初始诱导时异氟烷浓度设为 4%，氧气流速为 2.5 L/min；维持阶段将异氟烷降至 1.5–2%，氧气流速降至 1.5 L/min）。将大鼠置于加热平台上，口鼻部接入面罩（见图 1）。全程监测大鼠的呼吸和脉搏频率，确保麻醉深度稳定且安全，具体参照标准操作规程39。
    2. 在每只眼睛上涂抹 1–2 mm 的无菌眼用软膏，防止角膜干燥。注意勿使软膏管尖端接触角膜。
    3. 使用电动剃刀将左腿毛发完全剃除。
    4. 用棉签将市售脱毛膏均匀涂抹于整条腿部（例如 Q-tip 棉签）。等待 3 分钟后，用尽可能多的棉签将脱毛膏刮除，力求使腿部皮肤完全裸露。
      ​注意：此步骤至关重要，因为毛发会干扰电极、导电凝胶与皮肤之间的接触，从而影响电刺激的传递。
    5. 用蒸馏水浸湿棉球，擦拭腿部以彻底清洁皮肤。
    6. 用纸巾将腿部擦干。
  3. 固定大鼠体位
    1. 用外科胶带将足部和脚踏板缠绕固定，确保绑扎尽可能紧密。特别注意使足跟牢固嵌入脚踏板底部的凹槽中。根据需要调节旋钮 3（见图 1标注），前后移动脚踏板，以确保膝关节充分伸展。
    2. 注意：此处难以实现膝关节真正的完全伸展，若膝关节未完全伸直，无需担忧。
    3. 安装夹具，将其顶入胫骨近端中段以固定小腿（见图 1示意图）。使用旋钮 1 和 2（见图 1标注）调整脚踏板位置，使其与夹具对齐。
  4. 电极放置
    1. 使用镊子将导电凝胶均匀涂抹于两个电极表面以及大鼠腿部后侧。
    2. 按照图 1所示位置放置电极，确保电极与腿部之间有凝胶填充。远端电极置于腓肠肌群稍远端处，近端电极置于腓肠肌群近端起点，即与膝关节相接处。可通过触诊小腿后侧腓肠肌的“隆起”来确定这两个位置。
    3. 旋转齿轮（见图 1标注）以抬升电极至适当位置，确保刺激过程中接触稳定。注意不要过度上推，以免对脚踏板施加不必要的被动扭矩。电极支架轴（见图 1标注）应有轻微弯曲，以保证刺激过程中电极保持原位。
  5. 启用自动保存功能
    1. 返回 DMCv5.5 软件，点击顶部的设置，然后选择自动保存文件夹。
    2. 进入用于保存数据文件的文件夹，点击当前文件夹。
    3. 在自动保存基名框中输入基础名称（例如大鼠的识别编号），然后点击启用自动保存。此后所有数据文件将自动保存至所选文件夹，并以前述基名为前缀。请根据运行的协议在基名后添加相应标识（例如，“C1Black-70deg”表示在踝关节角度为 70° 时进行的 100 Hz 收缩；该文件在选定的自动保存文件夹中将显示为“C1Black-70deg.ddf”）。

4. 100 Hz 刺激的电流优化

  1. 步骤 3.1.5 中已加载 100 Hz、90° 的刺激方案。将刺激器设置为 20 mA。此刺激强度非常低，可在不引起明显肌肉疲劳的情况下，让研究人员判断是否需要调整电极或凝胶的位置（例如，若扭矩曲线不均匀或腿部从夹具中滑出）28,35,36,37,38。
  2. 点击开始测试以运行该方案。应可观察到肌肉收缩。方案运行结束后，点击分析以检查产生的扭矩大小，并确保已勾选基线校正选项。
  3. 休息 2 分钟后，将电流增加至 30 mA 并再次运行方案。点击分析以检查产生的扭矩大小，并确保已勾选基线校正选项（该选项可从总扭矩中减去被动扭矩，从而获得主动扭矩的测量值）。
    注意：此基线校正工具仅在踝关节角度为 90° 的设置下有效。在其他所有角度下，必须使用步骤 5.1 中描述的方法计算主动扭矩。虽然在年轻健康大鼠中建议休息 2 分钟，但在衰老或疾病模型中，可能需要更长的休息时间（例如 3–5 分钟）。
  4. 对 40 mA 重复上述步骤。若扭矩较 30 mA 时降低，则 30 mA 为最佳刺激强度。若 40 mA 产生的扭矩更高，则将电流增加至 50 mA，并在休息 2 分钟后再次刺激。若扭矩下降，则 40 mA 为最佳刺激电流。
  5. 重复此过程，直至找到最佳刺激电流（即进一步增加刺激电流后，扭矩不再增加）。通常，最佳刺激电流为 40 mA 或 50 mA。

5. 用于力矩-速度-功率关系的等长收缩

  1. 创建一个协议，以在70°踝关节角度（即此杠杆系统所能达到的最大背屈角度）下诱发持续500毫秒、频率为100 Hz的等长收缩（协议文件参见补充文件2）。运行该协议，记录此次收缩过程中产生的最大主动扭矩（即刺激前总扭矩减去基线被动扭矩）。使用该数值确定等张协议中的负载钳制值。
  2. 在协议界面中，创建一个协议：先将踝关节移动至背屈位置，然后进行500毫秒的刺激，再返回中立位置（图2；.dpf协议文件参见补充文件2）。
  3. 根据步骤5.1中记录的70°时最大主动扭矩，计算对应的10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%的等张负载。请确保将基线被动扭矩也一并加回到负载钳制值中（示例见图2）。按照以下所述步骤，以随机顺序运行这些负载钳制实验。
  4. 在DMCv5.5软件的偏移力输入框中（当前值为步骤3.1.6中设置的350），输入即将运行的第一个负载钳制所对应的计算扭矩值（即步骤5.3中计算出的数值之一）。然后加载步骤5.2中创建的等张协议，该新的偏移力值将被应用。通过设置此亚最大偏移力，当足底屈肌产生的扭矩达到该值时，将发生缩短，并保持在此恒定扭矩水平（图2）。
  5. 点击开始测试以运行该协议，将发生一次等张收缩。
  6. 重复上述两个步骤，每次等张负载钳制之间休息2分钟，直至完成全部八个等张收缩（10%–80%）。

6. 用于力矩-速度-功率关系的等速收缩

  1. 如果尚未设置，将偏移力（Offset Force）设为 350 mN×m。
  2. 创建八个等速缩短协议，分别对应 50、100、200、300、400、600、800 和 1000°/s 的缩短速度（协议文件见补充文件 2）。在这些协议中，首先被动地将踝关节移动至 70°（即本系统可实现的最大背屈角度），然后在缩短开始时启动 100 Hz 的刺激，并持续至踝关节移动到 120°（即本系统可实现的最大跖屈角度）（图 3）。刺激结束后，使踝关节返回至系统默认的中立角度 90°。
  3. 以随机顺序执行上述每一项等速测试，每次测试之间休息 2 分钟。

7. 分析等长收缩和等速测试文件

  1. 等长收缩测试分析
    1. 由于等长收缩测试使用恒定负荷，需记录缩短过程中的角速度。为分析这些测试的角速度，请打开数据文件。放大位置曲线中代表等长缩短发生的部分。点击肌肉分析。
    2. 为计算缩短期间的平均斜率，请查看位置列，并进行如下计算：平均角速度 = （最小位置 - 最大位置）/ 总时间。注意，“最小位置”代表最背屈的角度，即关节的起始位置。
  2. 等速收缩测试分析
    1. 由于等速收缩测试使用恒定速度，需记录缩短过程中产生的扭矩。
      注：本研究展示了从这些方案中记录扭矩的两种不同方法：缩短期间的平均扭矩和缩短期间的峰值扭矩。每种方法的优缺点在代表性结果部分进行了说明。
    2. 打开数据文件。为记录平均扭矩，放大缩短阶段的扭矩曲线。点击打开肌肉分析窗口。根据扭矩列中提供的数值，将平均扭矩记录为：平均扭矩 = 积分值 / 总时间。
    3. 在同一肌肉分析窗口中，将最大扭矩框中所示的值记录为峰值扭矩。

8. 对扭矩和角速度数据进行曲线拟合

  1. 在电子表格中，为每只大鼠分别创建等长收缩数据和等速收缩数据的独立工作表。在每个工作表中，将数据整理为两列：力 和 速度 在这些数据中包含 70° 时的最大扭矩，对应速度为 0°/s。将每张工作表标记为[大鼠名称]后接[ISOT]或[ISOK]，分别对应等张或等速数据（例如，“C1BLACK ISOT”或“C1BLACK AVG ISOK”，其中 C1BLACK 为大鼠名称；更多示例见图 4）。
    注意：这些命名规范对于下一步中使用的 Python 代码是必需的。这些特定的命名规范仅在此电子表格文件中需要。
  2. 点击链接中的 补充文件 3 运行自定义 Python 代码，并使用所提供的额外代码相关说明 补充文件 3运行代码后，将弹出一个窗口，提示研究人员选择包含每只大鼠等张和等速数据的电子表格（该表格按步骤8.1中的说明创建）。若已根据步骤8.1中的描述正确组织数据，则 图4，此代码将显示一个窗口，展示每组数据拟合的扭矩-速度-功率曲线（示例如下 图4）。在此代码中，所有数据均拟合到以下方程1:
    Chemical kinetics formula, V=((Fmax+a)b)/(F+a)-b, describing reaction rate calculations.
    使用 F最大值 在70°时测得的最大100 Hz等长扭矩， F 和 V 分别表示等张负荷钳的力矩和角速度，以及 a 和 b 分别用扭矩（N•m）和速度（°/s）的单位表示希尔的热力学常数。
    注意：代码在处理完每组力和速度数据后，将生成一个新的 Excel 文件，其中包含每条拟合曲线的以下数据：最大缩短速度（V最大值），F最大，该 a 和 b 系数，扭矩-速度曲线的曲率（a / F最大值）、峰值功率、对应于峰值功率的扭矩值、对应于峰值功率的角速度值以及R2 表示所收集数据与方程拟合程度的值（图4).

9. 等张与等速力矩-速度-功率曲线的比较

  1. 为消除与测试顺序相关的偏倚风险，1）交替先进行等长测试和先进行等速测试的顺序；2）在每组等长收缩（10%、20%、30%、40%、50%、60%、70% 和 80% 最大扭矩的负荷钳制）和等速收缩（角速度分别为 50、100、200、300、400、600、800 和 1000°/s）内随机化收缩顺序。等速角速度范围的选择应依据以往相关研究确定 体内 大鼠跖屈肌23.
  2. 采用双因素重复测量方差分析（ANOVA）评估本研究中三种方法（等张法、缩短期平均力矩的等速法、缩短期峰值力矩的等速法）所得力矩-速度-功率曲线在以下变量上的相似性与差异：V最大，该 a 和 b 系数、曲率、峰值功率、峰值功率时的扭矩、峰值功率时的角速度，以及 R2对所有成对比较进行邦弗罗尼校正。将显著性水平设为 α = 0.05。

结果

图5A展示了由原始数据点生成的力矩-速度关系，图5B则利用平均Fmax以及a和b系数，将数据拟合至Hill方程1，并同时绘制出力矩-功率曲线，其中功率通过力矩与速度相乘计算得出。所有方法（等张法、基于平均力矩的等速法、基于峰值力矩的等速法）均呈现出预期的力矩-速度关系曲线形态，即角向缩短速度随力矩增加呈双曲线下降，反之亦然，且峰值功率出现在力矩和速度均未达到最大值的中等水平。

图6 展示了通过拟合力矩和角速度数据得到的结果。等张收缩测试所得曲线预测的 Vmax 高于两种等速收缩曲线（与两者相比，P = 0.002；图6A）。等张收缩曲线产生的峰值功率也高于使用平均力矩的等速收缩曲线（P = 0.006），但若改用等速收缩测试中的峰值力矩，则所得峰值功率与等张收缩曲线无显著差异（P = 1.00）（图6B）。在等速收缩曲线中使用峰值力矩实现这一峰值功率的提升，是通过数学方法降低了力矩-速度曲线的曲率所致（与使用平均力矩相比，P < 0.001）（图6G），尽管此时 Vmax 保持不变（P = 1.00）（图6A）。由于在等速收缩测试中使用峰值力矩导致曲率降低，也使得在峰值功率处的力矩被高估，相较于等张收缩曲线具有显著差异（P < 0.001）；而使用平均力矩的等速收缩曲线在峰值功率处的力矩则与等张收缩曲线更为接近（P = 1.00）（图6C）。然而，使用平均力矩的等速收缩曲线在峰值功率处的角速度则显著低于等张收缩曲线（P < 0.001）（图6D）。若在等速收缩曲线中使用峰值力矩，可使峰值功率对应的角速度更接近等张收缩曲线，但仍存在轻微低估（P = 0.043）（图6D）。最后，尽管所有数据集均能良好拟合 Hill 方程（R2 均 > 0.98），但等张收缩曲线的拟合优度略低于另外两条曲线（P = 0.015–0.029）。综上所述，这些结果表明，在评估力矩-速度-功率关系时，更接近真实运动状态的恒定负荷动态收缩，会得出与更常用的恒定速度动态收缩不同的结果。

所有个体数据均可在以下网址公开获取：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.29099018.v2

Muscle stimulation experiment setup; force transducer, electrodes, heated pad for nerve response study.
图1：大鼠实验装置示意图 体内 跖屈肌机械功能测试 大鼠置于异氟烷麻醉下的加热平台上。足部用胶带紧缚于脚踏板上， heel 固定稳妥，并将夹具插入胫骨以固定下肢。调节旋钮1、2和3有助于将下肢调整至膝关节伸展的最佳位置，并使足部与脚踏板轴线保持解剖学对齐。在跖屈肌群的近端和远端位置涂抹导电凝胶。电极固定装置将电极定位，用于经皮刺激。定制电极固定装置上的齿轮将电极推压至覆盖跖屈肌群的皮肤表面。 请点击此处查看此图的放大版本。

等张负荷测量图；力矩与时间关系图及力分析；生物力学研究。
图2：在70°踝关节角度下进行100 Hz等长刺激时，原始力矩、位置和刺激信号的示例图，该数据用于确定在设定为峰值力矩10%至80%负荷下的等张收缩中的峰值力矩。图中还包含一次30%等张收缩的等张负荷计算与设定示例。请注意，在设定负荷钳（“偏移力”）时，所计算的负荷代表峰值100 Hz主动力矩（即总力矩减去基线被动力矩）的百分比，但基线被动力矩会被重新加回，因为系统无法区分总力矩与主动力矩。请点击此处查看该图的放大版本。

不同速度下的扭矩-时间曲线；生物力学分析；峰值扭矩和平均扭矩，单位为 Nm；示意图。
图3：缩短过程中测量峰值和平均扭矩所用的等速收缩原始扭矩和位置轨迹示例。 所示测试的速度分别为 50、100、200、300、400、600、800 和 1000°/s（在位置轨迹图中注明）。在“刺激”读数中的垂直虚线表示电刺激的开始和结束时间（实际刺激在这些数据读出图中不可见）。请点击此处查看此图的放大版本。

等速、等张测试中的曲线拟合过程；Excel 表格中的图表与数据分析。
图 4：扭矩（此处标记为“力”）与速度数据进行曲线拟合所需步骤的示意图。 将每组独立的扭矩和速度数据分别整理到以 [大鼠名称] [ISOK 或 ISOT] 命名的工作表中（ISOT = 等张，ISOK = 等速），然后运行代码。此时将弹出一个窗口，提示选择一个 Excel 文件。选择包含所有已命名工作表的文件后，每条曲线将依次显示，以便进行目视检查，确保输入的数据无误。每条曲线均展示最大缩短速度（Vmax）、最大扭矩值（Fmax，由实测数据输入）、曲线的 a 和 b 系数、扭矩-速度曲线的曲率（a / Fmax）、峰值功率、对应峰值功率的扭矩值（“最佳力”）、对应峰值功率的角速度值（“最佳速度”），以及表示采集数据与方程拟合优度的 R2 值。逐条查看每条曲线后，系统将自动生成一个 Excel 文件，其中包含刚刚浏览过的每条曲线的拟合结果数据。请在关闭前记得保存该文件。 请点击此处查看该图的放大版本。

等张与等速力矩-速度曲线；运动分析中的等张、平均、峰值力矩。
图 5：力矩-角速度-功率曲线。（A）根据等张测试（绿色）、缩短过程中使用平均力矩的等速测试（蓝色）和缩短过程中使用峰值力矩的等速测试（橙色）的原始数据构建的力矩-角速度曲线。（B）通过将这些数据拟合到Hill方程1所得的平均曲线，以及通过将力矩与角速度相乘得到的力矩-功率曲线。A图中的数据以均值±标准差表示。请点击此处查看该图的放大版本。

显示Vmax、峰值功率和扭矩比较的等张和等速测试的柱状图分析。
图6：通过对扭矩和角速度数据进行曲线拟合所得的结果。 比较由等张测试（ISOT）、基于平均扭矩的等速测试（ISOK AVG）和基于峰值扭矩的等速测试（ISOK PEAK）生成曲线之间的（A）Vmax、（B）峰值功率、（C）峰值功率时的扭矩、（D）峰值功率时的速度、（E）a系数、（F）b系数、（G）曲率以及（H）R2。 *差异具有统计学意义（P < 0.05）。数据以均值±标准差表示。 请点击此处查看该图的放大版本。

补充文件1：电极夹具制作说明及3D打印文件（https://doi.org/10.6084/m9.figshare.28574951.v1）

补充文件 2：Aurora Scientific 三合一系统的 .dpf 协议文件（https://doi.org/10.6084/m9.figshare.29099018.v2）

补充文件 3：用于拟合扭矩-角速度数据的 Python 代码（https://github.com/ahinks192/Torque-Velocity-Curve）

讨论

本研究展示了一种利用经皮电刺激对大鼠跖屈肌机械功能进行体内测试的新方法。具体而言，本研究演示了如何通过等张收缩来评估力矩-角速度-功率关系，这种方法相较于等速收缩，更贴近实验室外实际运动中常见的恒定负荷、速度依赖性条件。同时，本文也介绍了如何优化等速条件下的力矩-角速度-功率关系测量结果，以更好地模拟等张收缩的实验结果。由于该实验装置具有良好的可重复性，因此对关节水平动态性能的评估有望显著提升我们对年龄、疾病、制动以及各种运动干预如何影响啮齿类动物肌肉收缩功能的理解。事实上，该装置此前已被用于比较年轻与老年大鼠之间，以及固定制动和训练干预前后跖屈肌机械功能的差异35,36,37,38,28。

与等速协议相比，采用等张协议的一个重要优势在于，等张协议可根据特定大鼠进行更个体化的调整。等张协议首先测定最大力矩产生能力，然后将负荷钳制在此特定值上（即，图5A 中的等张曲线在力矩和速度两个轴上均存在变化）。而在等速协议中，Vmax 无法预先确定，因此无法将次最大角速度范围归一化至最大速度值，而只能采用标准化的角速度范围（即，等速曲线仅在力矩轴上存在变化）。对于本质上速度产生能力较慢的大鼠（例如，随着衰老16,40），这种标准化范围可能带来问题，因为测试仅能捕捉其力矩-角速度曲线中较小的一部分，部分标准化速度甚至可能接近或超过 Vmax。因此，等张收缩能够在任何时间点、针对任何健康状态，更可靠地完整表征力矩-角速度曲线，从而更准确地反映功率产生能力。换句话说，正如 Thompson18 最近指出的，等速测试无法区分峰值力矩与功率测量值，因为所有受试者的速度均被固定；而等张测试则通过将负荷个体化至每位受试者的最大力矩能力，解耦了力矩与功率的测量，从而更好地捕捉力矩与速度之间的权衡关系。

更好地实现等张收缩的个体化，可能是从等张收缩构建的力矩-速度-功率关系得出的Vmax高于任一种等速收缩方法的原因（图6A）。因此，如果某项研究的主要目的是评估Vmax的变化（例如，训练干预前与干预后的比较），应采用等张收缩，因为等速收缩可能会低估该值。然而，如果研究关注的是阐明峰值功率的变化，则通过记录等速缩短过程中的峰值力矩（而非平均力矩），等速收缩所得到的功率值可与等张收缩相近（图6B）。

测量峰值功率时的力矩和峰值功率时的速度，对于评估动态表现更依赖于力矩还是速度的产生也具有重要价值。例如，如果某种疾病在峰值功率上无变化，但在峰值功率时力矩增加而速度降低，则说明该疾病对速度的影响更为显著，而力矩的产生起到了代偿作用，以维持功率输出。若希望从等速收缩实验中获得与等张收缩实验相近的峰值功率时力矩和峰值功率时速度的数值，则应同时采用本研究展示的两种等速方法。对于峰值功率时的力矩，等速收缩中记录的平均力矩与等张力矩-速度关系所得结果高度一致（图6C）。相反，对于峰值功率时的速度，等速收缩中记录的峰值力矩与等张力矩-速度关系的结果更为接近，但仍存在约15%的低估（图6D）。最近一篇评论18指出，若旨在全面描述肌肉的功能能力，无论何种情况，同时记录等张和等速测试可能是可取的；其中推荐使用等张测试评估峰值功率，而评估肌肉缩短过程中的峰值力矩产生则必须依赖等速测试。

本研究所展示的实验装置相较于传统方法（如留置电极、外周神经套管）在评估方面具有优势，可改善实验室工作流程 体内 啮齿类动物的机械性能。定制的电极架可快速调节电极的高度，并通过红色电极架部件上的孔位调节电极之间的距离； 图1）以适应不同大鼠的腿部长度。这些设计特点还有助于在不同测试阶段之间保持同一动物电极放置位置的一致性，这对于纵向训练研究尤为有利。事实上，使用该装置完成一次典型的抗阻训练（4组，每组8-10次重复），每只大鼠仅需约15分钟，连续测试时可在约2.5小时内完成10只大鼠的训练。35,36,37此外，尽管并非本研究的重点，本研究团队已开发出一种更小的电极固定装置，用于小鼠跖屈肌的测试 体内 机械功能同样重要41.

尽管该实验设计具有方法学上的优势，但也存在一些需要注意的局限性。本研究中，我们采用70°至110°的踝关节活动范围，因为这是所用力传感器系统允许的极限角度；同时，采用更伸展的腿部位置，以优化力矩输出，该设定依据我们先前的实验结果确定。35,36,37,38,28- 然而，该装置允许调整这些体位（例如屈膝姿势、不同的踝关节活动范围、不同的激活设置），以满足特定研究者的实验需求。还应注意，该装置无法完全捕捉到动态的、变长度的肌肉行为特征 体内 在运动过程中，肌肉功能会受到载荷变化的影响，而关节角度转换期间往往会发生此类载荷变化，但这些因素无法在受控的单关节实验中实现。最后，本实验方案采用Hill方程对力矩与角速度数据进行拟合，该方程假设曲线呈双曲线形状。尽管这种曲线形状在确定峰值功率（出现在次最大力量与速度水平时）方面具有可靠性，但其可能高估V最大值 由于力-速度关系常呈现出双曲双曲线形状2,42因此，如果研究人员的主要目的是评估V最大 使用此处介绍的实验装置，建议也将这些数据拟合到更复杂的双曲线模型中2,42.

本文所示的等张力与等速力矩-角速度-功率关系均与希尔方程具有高度拟合性（R2 > 0.98）（图6H）。然而，鉴于上述等速力矩-角速度-功率关系所存在的局限性，建议在可能的情况下优先采用等张力测试，尤其是在旨在评估峰值功率时。若必须使用等速测试，则可参考本文的研究结果，以理解其局限性，并最大程度地提高其向恒负荷收缩的可转化性。

披露

Christopher Rand 和 Matthew Borkowski 任职于 Aurora Scientific, Inc. 公司。

致谢

感谢人类健康与营养科学动物护理团队在大鼠饲养方面提供的帮助。本项目由加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）资助，资助号为 RGPIN-2024-03782，以及与 Aurora Scientific 公司合作的 NSERC Alliance 资助（ALLRP 603969-25）。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1-1/2” 镀锌钢光面 finishing 钉 加拿大安大略省皮克林市希尔曼集团加拿大有限责任公司https://shop.hillmangroup.ca/ccrz__ProductDetails?sku=461146&cclcl=zh_CN对于自制电极架（制作说明见补充图1）
大鼠实验装置Aurora Scientific Inc.（加拿大安大略省奥罗拉）806D 
使用 Tinkercad（开源软件）设计并3D打印的定制电极固定装置Autodesk Tinkercad www.tinkercad.com对于定制电极架（制作说明见补充图1）
高功率双相刺激器Aurora Scientific Inc.（加拿大安大略省奥罗拉）701C
乐高零件BrickLink.com参见补充图S1，其中列出了所有乐高（LEGO）组件的BrickLink.com编码® 部件对于定制电极架（制作说明见补充图1）
Spectra 360 电极凝胶光谱https://www.orthocanada.com/zh/spectra-电极凝胶?utm_term=&utm_campaign=加拿大+英文+-+搜索+-+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
Systane 夜间润滑眼膏Systanehttps://www.amazon.ca/dp/B004RSQGWC?ref=nb_sb_ss_w_as-reorder_k0_1_12&=&crid=38CVEZ82H7F4&=&&sprefix=眼膏
十只雌性Sprague-Dawley大鼠Charles River Laboratories（Senneville，QC，加拿大）菌株编号：001
Transpore 外科手术胶带3M（加拿大安大略省米尔顿）1527
Veet 纯净脱毛膏Veethttps://www.walmart.ca/en/ip/Veet-Pure-Hair-Removal-Cream-Legs-Body-Sensitive-Skin-400-mL/10032637
水浴加热器/循环器Aurora Scientific Inc.（加拿大安大略省奥罗拉）827A 

参考文献

  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).

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