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Konstruktion von Drehmoment-Geschwindigkeits-Leistungsprofilen mit konstanter Last (isotonisch) und konstanter Geschwindigkeit (isokinetisch) in vivo für die Plantarflexoren der Ratte

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DOI:

10.3791/68858

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3. Oktober 2025

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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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Hier stellen wir ein neuartiges Protokoll vor, um die Beziehung zwischen Drehmoment, Winkelgeschwindigkeit und Leistung in vivo in Plantarflexoren von Ratten mittels transkutaner Muskelstimulation zu messen. Dieser Aufbau ermöglicht ein einfaches Testen isotonischer Muskelkontraktionen auf einem Kraftaufnehmer/Längenregler-System, um die konstante Belastung alltäglicher Bewegungen besser darzustellen.

Zusammenfassung

Das Verständnis der Beziehung zwischen Drehmoment, Geschwindigkeit und Leistung des Muskels ist entscheidend für die Beurteilung der dynamischen Muskelleistung, die Auswirkungen auf Gesundheit und Krankheit hat. Während dynamometrische Studien am Menschen isokinetische (konstante Geschwindigkeit) oder isotonische (konstante Belastung) Kontraktionen verwenden, um diese Beziehung zu bewerten, haben sich Nagetiermodelle aufgrund der Komplexität der Durchführung von isotonischen Lastklemmenexperimenten auf kommerziell erhältlichen Systemen fast ausschließlich auf isokinetische Kontraktionen verlassen. Isotonische Kontraktionen passen sich besser an die konstanten Lastbedingungen von Bewegungen an, die außerhalb des Labors stattfinden. In dieser Arbeit präsentieren wir ein neuartiges und minimal-invasives transkutanes Elektrostimulationsprotokoll und einen Schritt-für-Schritt-Workflow zur Beurteilung des isotonischen Drehmoment-Winkelgeschwindigkeits-Leistungs-Verhältnisses in vivo für die Plantarflexoren der Ratte. Isotonische und isokinetische Drehmoment-Winkelgeschwindigkeits-Leistungskurven wurden an 10 Sprague-Dawley-Ratten verglichen. Isotonische Kontraktionen führten zu einer höheren maximalen Verkürzungsgeschwindigkeit (Vmax) und Spitzenleistung im Vergleich zu isokinetischen Kontraktionen, die ein durchschnittliches Drehmoment verwendeten. Bei der Messung des Spitzendrehmoments aus isokinetischen Kontraktionen entsprach die isokinetische Spitzenleistung jedoch besser, da die Krümmung der Drehmoment-Winkelgeschwindigkeitskurve verringert wurde. Darüber hinaus unterschieden sich Drehmoment und Geschwindigkeit bei Spitzenleistung je nachdem, welcher Protokolltyp verwendet wurde. Alle Datensätze passten stark zur Hill-Gleichung (R2 > 0,98), obwohl isotonische Daten die "schwächsten" Anpassungen aufwiesen, was wahrscheinlich auf die variablere Natur der Kontraktionen mit konstanter Last zurückzuführen ist. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird nach Möglichkeit die Verwendung isotonischer Kontraktionen empfohlen, insbesondere wenn es darum geht, diemaximale oder maximale V-Leistung zu beurteilen. Wenn stattdessen isokinetische Tests verwendet werden müssen, wird hier ein wertvoller Leitfaden bereitgestellt, um die Grenzen zu verstehen und die Übertragbarkeit auf konstante Lastkontraktionen zu maximieren.

Einleitung

Die grundlegende Untersuchung, wie sich die Muskelleistung durch Training, Reifung, Alterung oder Krankheit verändert, umfasst oft nur Messungen der Kraft- oder Drehmomentproduktion während isometrischer (d.h. konstanter Muskellänge bzw. Gelenkwinkel) Kontraktionen. Seit der Pionierarbeit von A.V. Hill in den 1930er Jahren1 haben sich die Experimente zur Muskelleistung jedoch allmählich auf die Einbeziehung dynamischer Bedingungen ausgeweitet, um die Beziehung zwischen Kraft, Geschwindigkeit und ihrem Produkt, der Leistung, zu bewerten 2,3,4,5,6,7,8 . Mit zunehmender Geschwindigkeit der Verkürzung verringert sich die Wahrscheinlichkeit, krafterzeugende Aktin-Myosin-Querbrücken zu bilden, wodurch die inverse hyperbolische Form der Kraft-Geschwindigkeits-Kurve 1,2 entsteht. Somit bietet die Leistung eine Gesamtdarstellung der dynamischen Leistung eines Muskels und zeigt den Kompromiss zwischen submaximaler Kraft und submaximaler Geschwindigkeit beim Erreichen der maximalen Leistung9. Studien an Menschen sind insbesondere dazu vorgedrungen, die Ganzkörperdynamometrie (z.B. HUMAC oder Biodex) zu verwenden, die eine Beurteilung des Drehmoment-Geschwindigkeits-Leistungs-Verhältnisses mit Hilfe der isokinetischen10 (konstante Winkelgeschwindigkeit) oder der isotonischen 11,12,13,14,15,16 ermöglicht (konstante Last) Bewegungen. Von diesen beiden Bewegungsarten passen sich isotonische Kontraktionen besser an die konstanten Belastungsbedingungen von Bewegungen an, die außerhalb des Labors stattfinden, was die Herausforderung für die beteiligten Muskeln darstellt, eine Last zu bewegen, während isokinetische Kontraktionen unnatürlicher sind, da sich der kraftübertragende Hebelarm des Dynamometers nur mit einer festen Winkelgeschwindigkeit bewegen kann 12,16,17. 18. Urheberrecht

In den letzten zwei Jahrzehnten wurden auch bedeutende Fortschritte bei kleinen Dynamometersystemen zur Beurteilung der Muskelleistung bei Nagetierenerzielt 19,20,21,22,23,24. Nagetiermodelle ermöglichen nahezu endlose Möglichkeiten für die präklinische Untersuchung von Krankheiten, die sich nachteilig auf die Muskeln auswirken, darunter Typ-2-Diabetes25, Fettleibigkeit26, Krebskachexie27, Sarkopenie19,28, spastische Zerebralparese29,30, Duchenne-Muskeldystrophie31, Desminopathie32und vieles mehr. Wiederholte, longitudinale Messungen der Muskelleistung an lebenden Tieren sind durch den Einsatz von peripherer Nerven- oder perkutaner Muskelelektrik unter Narkose möglich geworden33,34. Da diese Kontraktionen elektrisch hervorgerufen werden müssen, waren sie leider förderlicher für die vereinfachende und kontrollierte Natur isokinetischer Kontraktionen als für isotonische Kontraktionen (die einen nuancierteren Ansatz erfordern), um die Beziehung zwischen Drehmoment, Geschwindigkeit und Leistung zu konstruieren. Darüber hinaus handelt es sich bei der Implantation peripherer Nervenmanschetten oder der direkten Muskelstimulation über eine Nadelelektrode um invasive Eingriffe, die eine Operation oder ein vorsichtiges Einführen von Verweilelektroden durch die Haut erfordern, und daher birgt die wiederholte Anwendung Risiken für unerwünschte Wirkungen oder Inkonsistenzen, die die Ergebnisse zwischen wiederholten Testsitzungen am selben Tier verfälschen könnten.

Hier wird ein neuartiger Aufbau zur Beurteilung des in vivo Drehmoment-Winkelgeschwindigkeits-Leistungs-Verhältnisses bei Ratten unter Verwendung eines konsistenten und minimal-invasiven Verfahrens der transkutanen (d.h. außerhalb der Haut) Muskelstimulation auf einem Kraftaufnehmer/Längen-Controller-System vorgestellt. Darüber hinaus bietet diese Studie einen Vergleich zwischen isotonischen und isokinetischen Drehmoment-Geschwindigkeits-Leistungskurven, die mit dieser Technik erstellt wurden, mit technischen/methodischen Empfehlungen, die auf den Nuancen beider Verfahren basieren.

Protokoll

Alle Protokolle wurden vom Animal Care Committee der University of Guelph (AUP #4905) genehmigt und folgten den Richtlinien des Canadian Council on Animal Care.

HINWEIS: Die in der Materialtabelle aufgeführten Materialien werden für die Konstruktion des Elektrodenhalter-Setups, die Positionierung der Ratte innerhalb des Kraftaufnehmers/Längenreglersystems und das Erfassen von Drehmoment-, Positions- und Winkelgeschwindigkeitsdaten benötigt.

1. Tiere

  1. Du erhältst 10 weibliche Sprague Dawley-Ratten (Alter: 11 Wochen; Körpermasse: 228 ± 21 g).
  2. Halten Sie die Ratten bei 23 °C in Zweier- oder Dreiergruppen und geben Sie ad libitum Zugang zu einer Teklad Global 18% Protein-Nagetiernahrung und Wasser bei Raumtemperatur.

2. Maßgeschneiderter Elektrodenhalter

  1. Konstruieren Sie den maßgefertigten Elektrodenhalter für die transkutane Stimulation überwiegend aus handelsüblichen Bauteilen, deren Bauanleitung in der Zusatzdatei 1 dargestellt ist.
  2. Individuelles Design und 3D-Druck des Elektrodenhalterstücks mit der STL-Datei, die in der Zusatzdatei 1 angehängt ist.
    HINWEIS: Dieses Elektrodenhalterstück enthält Löcher, die für 1-1/2" verzinkte glatte Finishing-Nägel aus Stahl geeignet sind. Die Positionierung der Nägel in diesen Löchern soll auf der Grundlage der Größe/Position der einzelnen Ratte, die getestet wird, angepasst werden. An diese Nägel sind Kathoden- und Anodendrähte gelötet, die mit einem leistungsstarken Bi-Phasen-Stimulator verbunden sind, um eine transkutane Stimulation der Plantarflexoren zu ermöglichen.

3. Erster mechanischer In-vivo-Testaufbau

  1. Einschalten des In-vivo-Systems
    1. Schalten Sie die Wärmepumpe ein und stellen Sie sie auf 37 °C ein.
    2. Schalten Sie den Computer ein. Öffnen Sie die DMCv5.5-Software.
    3. Betätigen Sie an der Stimulatorbox den großen Ein-/Ausschalter und den kleineren Ein-Ausgang-Schalter.
    4. Schalten Sie den Ein-/Ausschalter für das Dual-Mode-Hebelsystem ein.
    5. Klicken Sie in der Software auf Protokoll . Laden Sie ein Protokoll, das eine Kontraktion von 500 ms und 100 Hz (Impulsbreite 0,1 ms) bei einem Knöchelwinkel von 90° (d. h. dem standardmäßigen Neutralwinkel für die Software) liefert.
      HINWEIS: Die Schritte zum Entwerfen eines Protokolls gehen über den Rahmen dieser Studie hinaus und können in den Bedienungsanleitungen für ein bestimmtes System nachgelesen werden.
    6. Stellen Sie die Versatzkraft auf 350 mN×m ein (das maximale Drehmoment, das von diesem System aufgezeichnet werden kann; es ist unwahrscheinlich, dass eine Ratte diesen Wert 28,35,36,37,38 überschreitet), und laden Sie dann das Protokoll.
    7. Schalten Sie den Schalter am System auf Ausführen. Stellen Sie sicher, dass das Fußpedal (in Abbildung 1 beschriftet) einrastet.
  2. Vorbereitung der Ratte
    1. Anästhesieren Sie die Ratte über Isofluran unter Verwendung von Standardarbeitsanweisungen an der entsprechenden Forschungseinrichtung39 (z. B. wurden hier Richtlinien aus dem Nagetieranästhesietraining der Universität von Guelph verwendet, wobei Isofluran auf 4 % und die Sauerstoffflussrate auf 2,5 l/min für die Ersteinleitung eingestellt wurde, und Isofluran auf 1,5-2 % und die Sauerstoffflussrate auf 1,5 l/min für die Aufrechterhaltung reduziert wurde). Positionieren Sie die Ratte mit Mund/Nase in einem Mundkegel auf einer beheizten Plattform (Abbildung 1). Überwachen Sie die Atmung und die Pulsfrequenz der Ratte während der gesamten Zeit, um eine konsistente und sichere Anästhesietiefe zu gewährleisten, und zwar unter Bezugnahme auf die Standardarbeitsanweisungen39.
    2. Verteilen Sie Augensalbe auf den Augen, um ein Austrocknen der Augen zu verhindern.
    3. Rasieren Sie das linke Bein mit einem Elektrorasierer komplett von den Haaren.
    4. Verteilen Sie eine handelsübliche Haarentfernungscreme mit einem Wattestäbchen (z. B. Wattestäbchen) auf das ganze Bein. Warten Sie 3 Minuten, dann kratzen Sie die Creme mit so vielen Wattestäbchen wie nötig ab. Versuchen Sie, das Bein so nackt wie möglich zu haben.
      HINWEIS: Dieser Schritt ist notwendig, da das Haar den Kontakt zwischen den Elektroden, dem leitfähigen Gel und der Haut stört, wenn es versucht, eine elektrische Stimulation durchzuführen.
    5. Reinigen Sie das Bein vollständig, indem Sie Wattebällchen mit destilliertem Wasser befeuchten und über das Bein wischen.
    6. Trocknen Sie das Bein mit einem Papiertuch ab.
  3. Positionierung der Ratte
    1. Wickeln Sie chirurgisches Klebeband um den Fuß und das Fußpedal, um den Fuß an Ort und Stelle zu halten. Es muss so eng wie möglich sein. Achten Sie insbesondere darauf, dass die Ferse in dem Schlitz an der Unterseite des Fußpedals befestigt ist. Verwenden Sie den Einstellknopf 3 (in Abbildung 1 beschriftet), um das Fußpedal je nach Bedarf näher oder weiter weg zu bewegen, um sicherzustellen, dass das Knie gestreckt ist.
    2. HINWEIS: Eine echte Vollstreckung des Knies ist hier nur schwer zu erreichen, also machen Sie sich keine Sorgen, wenn das Knie nicht vollständig gestreckt ist.
    3. Richten Sie die Klemme ein und drücken Sie sie in die mittlere proximale Tibia, um den Unterschenkel zu fixieren (siehe Abbildung 1für eine visuelle Darstellung). Verwenden Sie die Einstellknöpfe 1 und 2 (siehe Abbildung 1), um das Fußpedal so zu positionieren, dass es in einer Linie mit der Klemme liegt.
  4. Platzierung der Elektroden
    1. Verteilen Sie mit einer Pinzette leitfähiges Gel auf beiden Elektroden sowie auf der hinteren Seite des Beins der Ratte.
    2. Positionieren Sie die Elektroden wie in Abbildung 1 gezeigt und stellen Sie sicher, dass sich zwischen den Elektroden und dem Bein Gel befindet. Die distale Elektrode verläuft nur distal der Gastrocnemii, während die proximale Elektrode am proximalen Ende der Gastrocnemii verläuft, wo sie auf das Kniegelenk trifft. Finden Sie diese Stellen, indem Sie die "Ausbuchtung" der Gastrocnemii auf der hinteren Seite des Unterschenkels abtasten.
    3. Drehen Sie das Zahnrad (in Abbildung 1 beschriftet), um die Elektroden in Position zu bringen und einen gleichmäßigen Kontakt während der Stimulation zu gewährleisten. Schieben Sie es nicht zu stark nach oben, da es sonst unerwünschtes passives Drehmoment auf das Fußpedal ausübt. Es muss nur eine leichte Biegung in der Achse (in Abbildung 1 beschriftet) vorhanden sein, die die Elektroden hält, um sicherzustellen, dass sie während der Stimulation an Ort und Stelle bleibt.
  5. Aktivieren der automatischen Speicherung
    1. Kehren Sie zur DMCv5.5-Software zurück. Klicken Sie oben auf "Setup" und dann auf "Ordner automatisch speichern".
    2. Wechseln Sie zu dem Ordner, in dem die Datendateien gespeichert werden sollen, und klicken Sie dann auf Aktueller Ordner.
    3. Geben Sie einen Basisnamen (z. B. den Identifikationscode der Ratte) in das Feld "Basis automatisch speichern " ein und klicken Sie dann auf "AutoSpeichern aktivieren". Alle Datendateien werden nun in dem ausgewählten Ordner mit dem Namen der Autosave-Basis gespeichert. Vergessen Sie nicht, den Basisnamen je nach ausgeführtem Protokoll hinzuzufügen (z. B. "C1Black-70deg" für eine 100-Hz-Kontraktion bei einem Knöchelwinkel von 70°; als Dateiname wird dieser als "C1Black-70deg.ddf" im ausgewählten AutoSave-Ordner angezeigt).

4. Stromoptimierung für 100 Hz Stimulation

  1. Das 100 Hz bei 90° Protokoll ist bereits aus Schritt 3.1.5 geladen. Stellen Sie den Stimulator auf 20 mA ein. Dies ist ein sehr geringes Stimulationsniveau und teilt dem Forscher mit, ob er Anpassungen an der Elektroden-/Gelplatzierung vornehmen muss (z. B. wenn die Drehmomentspur uneben aussieht oder das Bein aus der Klemme rutscht), ohne dass es zu einer starken Muskelermüdung kommt 28,35,36,37,38.
  2. Klicken Sie auf Test starten , um das Protokoll auszuführen. Die Muskelkontraktion sollte sichtbar sein. Nachdem das Protokoll ausgeführt wurde, klicken Sie auf Analyse , um zu überprüfen, wie viel Drehmoment erzeugt wurde, und stellen Sie sicher, dass das Kontrollkästchen Baseline-Korrektur aktiviert ist.
  3. Nachdem Sie 2 Minuten Pause eingelegt haben, erhöhen Sie die Lautstärke auf 30 mA und führen Sie das Protokoll erneut aus. Klicken Sie auf Analyse , um zu überprüfen, wie viel Drehmoment erzeugt wurde, und stellen Sie sicher, dass das Feld Baseline-Korrektur angeklickt ist (dieses Feld stellt sicher, dass das passive Drehmoment vom Gesamtdrehmoment subtrahiert wird, um eine Messung des aktiven Drehmoments zu erhalten).
    HINWEIS: Die Verwendung dieses Baseline-Korrekturwerkzeugs funktioniert nur bei diesem Setup bei einem Knöchel von 90°. Bei allen anderen Winkeln ist zur Berechnung des aktiven Drehmoments das in Schritt 5.1 beschriebene Verfahren anzuwenden. Während hier bei jungen, gesunden Ratten 2 Minuten Pause empfohlen werden, muss diese Ruhezeit in Alters- oder Krankheitsmodellen möglicherweise länger sein (z. B. 3-5 Minuten).
  4. Wiederholen Sie den obigen Schritt für 40 mA. Wenn das Drehmoment im Vergleich zu 30 mA abgenommen hat, dann sind 30 mA der optimale Stimulus. Wenn das Drehmoment von 40 mA größer war, erhöhen Sie es auf 50 mA und stimulieren Sie nach 2 Minuten Pause erneut. Wenn das Drehmoment gesunken ist, dann waren 40 mA der optimale Reizstrom.
  5. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis der optimale Reiz gefunden wurde (d. h. nach weiterer Erhöhung des Reizstroms keine Erhöhung der Drehmomentproduktion mehr zu sehen ist). In der Regel liegt der optimale Stimulusstrom bei 40 mA oder 50 mA.

5. Isotonische Kontraktionen für das Verhältnis von Drehmoment, Geschwindigkeit und Leistung

  1. Erstellen Sie ein Protokoll, das eine isometrische Kontraktion von 500 ms und 100 Hz bei einem Knöchelwinkel von 70° induziert (d. h. dem dorsalflexesten Winkel, auf den dieses Hebelsystem geht) (Protokolldatei verfügbar in der Zusatzdatei 2). Führen Sie dieses Protokoll aus. Zeichnen Sie das maximale aktive Drehmoment (d. h. das Gesamtdrehmoment minus passives Basisdrehmoment vor der Stimulation) auf, das während dieser Kontraktion erzeugt wird. Verwenden Sie diesen Wert, um die Lastklemmen in den isotonischen Protokollen zu bestimmen.
  2. Erstellen Sie im Protokollbildschirm ein Protokoll, um den Knöchel in eine dorsalflexierte Position zu bewegen und dann 500 ms lang zu stimulieren, bevor Sie in eine neutrale Position zurückkehren (Abbildung 2; .dpf-Protokolldatei in der Zusatzdatei 2).
  3. Berechnen Sie die isotonischen Lasten, die 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 % und 80 % des in Schritt 5.1 aufgezeichneten maximalen aktiven Drehmoments bei 70° entsprechen. Stellen Sie sicher, dass Sie auch das passive Basisdrehmoment wieder auf die Lastklemme aufbringen (siehe Beispiel in Abbildung 2). Führen Sie diese Lastklemmen in einer zufälligen Reihenfolge mit den unten beschriebenen Schritten aus.
  4. Geben Sie in der DMCv5.5-Software im Feld Offset Force (das derzeit auf 350 aus Schritt 3.1.6 eingestellt ist) den berechneten Drehmomentwert (d. h. aus den in Schritt 5.3 oben berechneten Werten) ein, der der ersten zu fahrenden Lastklemme entspricht. Laden Sie nun das in Schritt 5.2 erstellte isotonische Protokoll, und diese neue Versatzkraft wird angewendet. Durch die Einstellung dieser submaximalen Versatzkraft kommt es zu einer Verkürzung, wenn das von den Plantarflexoren erzeugte Drehmoment diesen Wert erreicht, und bleibt auf diesem Wert konstant (Abbildung 2).
  5. Klicken Sie auf Test starten , um das Protokoll auszuführen. Es kommt zu einer isotonischen Kontraktion.
  6. Wiederholen Sie die beiden obigen Schritte mit 2 Minuten Pause zwischen jeder isotonischen Lastklemme, bis alle acht isotonischen Kontraktionen (10–80%) durchgeführt wurden.

6. Isokinetische Kontraktionen für das Verhältnis von Drehmoment, Geschwindigkeit und Leistung

  1. Legen Sie die Versatzkraft auf 350 mN×m fest, falls sie noch nicht vorhanden ist.
  2. Erstellen Sie acht isokinetische Verkürzungsprotokolle, die Verkürzungsgeschwindigkeiten von 50, 100, 200, 300, 400, 600, 800 und 1000°/s entsprechen (Protokolldateien sind in der Zusatzdatei 2 verfügbar). Bewegen Sie in diesen Protokollen zuerst passiv den Knöchel auf 70° (d. h. den am stärksten dorsalflexierten Winkel, der bei diesem System verfügbar ist), stellen Sie dann die Stimulation auf 100 Hz ein, die zu Beginn der Verkürzung erfolgt, und fahren Sie fort, wenn sich der Knöchel auf 120° bewegt (d. h. der am stärksten plantarflexierte Winkel, der bei diesem System verfügbar ist) (Abbildung 3). Stellen Sie nach Beendigung der Stimulation den Knöchel so ein, dass er auf den standardmäßigen Neutralwinkel des Systems von 90° zurückkehrt.
  3. Führen Sie jeden dieser isokinetischen Tests in einer zufälligen Reihenfolge durch, mit 2 Minuten Pause zwischen jedem Test.

7. Analyse der isotonischen und isokinetischen Testdateien

  1. Isotonische Testanalyse
    1. Da bei isotonischen Tests eine konstante Last verwendet wird, ist die Winkelgeschwindigkeit während der Verkürzung aufzuzeichnen. Um die Winkelgeschwindigkeit aus diesen Tests zu analysieren, öffnen Sie die Datendatei. Vergrößern Sie den Teil der Positionsverfolgung, der den Zeitpunkt der isotonischen Verkürzung darstellt. Klicken Sie auf Muskelanalyse.
    2. Um die durchschnittliche Steigung während der Verkürzung zu berechnen, sehen Sie sich die Spalte Position an und führen Sie die Berechnung durch: Durchschnittliche Winkelgeschwindigkeit = (Minimale Position - Maximale Position)/Gesamtzeit. Beachten Sie, dass die "Minimale Position" den am stärksten dorsalgebeugten Winkel darstellt, der die Ausgangsposition des Gelenks darstellt.
  2. Isokinetische Testanalyse
    1. Da bei isokinetischen Tests eine konstante Geschwindigkeit verwendet wird, ist das beim Kürzen erzeugte Drehmoment aufzuzeichnen.
      HINWEIS: In der vorliegenden Studie werden zwei verschiedene Methoden zur Aufzeichnung des Drehmoments aus diesen Protokollen vorgestellt: das durchschnittliche Drehmoment während der Verkürzung und das maximale Drehmoment während der Verkürzung Die Vor- und Nachteile der einzelnen sind in den repräsentativen Ergebnissen dargestellt.
    2. Öffnen Sie die Datendatei. Um das durchschnittliche Drehmoment aufzuzeichnen, zoomen Sie während der Verkürzungsphase auf die Drehmomentkurve. Klicken Sie hier, um das Fenster Muskelanalyse zu öffnen. Notieren Sie anhand der in der Drehmomentspalte angegebenen Werte das durchschnittliche Drehmoment wie folgt: Durchschnittliches Drehmoment = Integration/Gesamtzeit.
    3. Zeichnen Sie im selben Muskelanalyse-Fenster das Spitzendrehmoment als den Wert auf, der im Feld Maximales Drehmoment angegeben ist.

8. Kurvenanpassung der Drehmoment- und Winkelgeschwindigkeitsdaten

  1. Erstellen Sie in einer Tabelle ein separates Blatt für die isotonischen Daten und die isokinetischen Daten für jede Ratte. Ordnen Sie die Daten in jedem Blatt in zwei Spalten an: Kraft und Geschwindigkeit. Beziehen Sie das maximale Drehmoment bei 70° in diese Daten ein, was einer Geschwindigkeit von 0°/s entspricht. Beschriften Sie jedes Blatt mit [Name der Ratte], gefolgt von [ISOT] oder [ISOK], entsprechend den isotonischen bzw. isokinetischen Daten (z. B. "C1BLACK ISOT" oder "C1BLACK AVG ISOK", wobei C1BLACK der Name der Ratte ist; siehe Abbildung 4 für weitere Beispiele).
    HINWEIS: Diese Namenskonventionen sind für den Python-Code erforderlich, der im nächsten Schritt verwendet wird. Diese spezifischen Namenskonventionen sind nur in dieser Tabellenkalkulationsdatei erforderlich.
  2. Folgen Sie dem Link in der Zusatzdatei 3, um den benutzerdefinierten Python-Code auszuführen, indem Sie die zusätzlichen codebezogenen Anweisungen in der Zusatzdatei 3 verwenden. Sobald der Code ausgeführt ist, erscheint ein Fenster, in dem der Forscher aufgefordert wird, die Tabelle auszuwählen, die die einzelnen Blätter für die isotonischen und isokinetischen Daten jeder Ratte enthält, die in Schritt 8.1 erstellt wurde. Wenn dieser Code basierend auf der Beschreibung in Schritt 8.1 und Abbildung 4 korrekt organisiert ist, zeigt er ein Fenster an, in dem für jeden Datensatz eine angepasste Drehmoment-Geschwindigkeits-Leistungs-Kurve angezeigt wird (Beispiele in Abbildung 4). In diesem Code werden alle Daten an die folgende Gleichung1 angepasst:
    figure-protocol-1
    wobei Fmax das maximale isometrische Drehmoment von 100 Hz bei 70° ist, wobei F und V das Drehmoment der isotonischen Lastklemme bzw. die Winkelgeschwindigkeit darstellen und a und b die thermodynamischen Konstanten von Hill mit den Einheiten Drehmoment (N•m) bzw. Geschwindigkeit (°/s) darstellen.
    HINWEIS: Nachdem der Code jeden Satz von Kraft- und Geschwindigkeitsdaten durchsucht hat, erstellt er eine neue Excel-Datei, die für jede angepasste Kurve die folgenden Daten enthält: maximale Verkürzungsgeschwindigkeit (V max), Fmax, die Koeffizienten a und b, die Krümmung der Drehmoment-Geschwindigkeitskurve (a / Fmax), Spitzenleistung, der Drehmomentwert, der der Spitzenleistung entspricht, der Wert der Winkelgeschwindigkeit, der der Spitzenleistung entspricht, und derR2-Wert, der angibt, wie gut die gesammelten Daten in die Gleichung passen (Abbildung 4).

9. Vergleich der isotonischen und isokinetischen Drehmoment-Geschwindigkeits-Leistungsprofile

  1. Um das Risiko von Verzerrungen im Zusammenhang mit der Testreihenfolge zu vermeiden, 1) wechseln Sie zwischen der Durchführung der isotonischen Tests zuerst und der Durchführung der isokinetischen Tests zuerst; und 2) die Kontraktionsreihenfolge innerhalb jedes Satzes von isotonischen (Lastklemmen von 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 und 80 % maximalem Drehmoment) und isokinetischen (Winkelgeschwindigkeiten von 50, 100, 200, 300, 400, 600, 800 und 1000°/s) Kontraktionen randomisieren. Wählen Sie den Bereich der isokinetischen Winkelgeschwindigkeiten in Übereinstimmung mit früheren Studien an den In-vivo-Plantarflexoren der Ratte23.
  2. Verwenden Sie eine zweiseitige ANOVA mit wiederholten Messungen, um Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den Drehmoment-Geschwindigkeits-Leistungskurven zu bewerten, die sich aus den drei hier verwendeten Methoden (isotonisch, isokinetisch mit durchschnittlichem Drehmoment während der Verkürzung und isokinetisch mit maximalem Drehmoment während der Verkürzung ergeben) für die folgenden Variablen: Vmax, die Koeffizienten a und b , Krümmung, Spitzenleistung, Drehmoment bei Spitzenleistung, Winkelgeschwindigkeit bei Spitzenleistung, und R2. Wenden Sie eine Bonferroni-Korrektur auf alle paarweisen Vergleiche an. Legen Sie den Alpha-Level auf α = 0,05 fest.

Ergebnisse

Abbildung 5A zeigt die aus den Rohdatenpunkten generierten Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehungen, und Abbildung 5B verwendet die durchschnittlichen F-Max-Koeffizienten sowie die a- und b-Koeffizienten, um diese Daten an die Hill-Gleichung1 anzupassen, zusammen mit den Drehmoment-Leistungs-Kurven, in denen Drehmoment und Geschwindigkeit zur Berechnung der Leistung miteinander multipliziert wurden. Alle Methoden (isotonisch, isokinetisch mit mittlerem Drehmoment, isokinetisch mit Spitzendrehmoment) zeigen die erwartete Form der Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung, wobei die Winkelverkürzungsgeschwindigkeit mit zunehmendem Drehmoment hyperbolisch abnimmt und umgekehrt, und mit Spitzenleistung, die bei submaximalen Drehmoment- und Geschwindigkeitsniveaus erzeugt wird.

Abbildung 6 zeigt die Daten, die aus der Kurvenanpassung der Drehmoment- und Winkelgeschwindigkeitsdaten gewonnen wurden. Die aus den isotonischen Tests resultierende Kurve sagt eingrößeres V max voraus als beide isokinetischen Kurven (P = 0,002 im Vergleich zu beiden; Abbildung 6A). Die isotonische Kurve ergab auch eine größere Spitzenleistung als die isokinetische Kurve bei Verwendung des durchschnittlichen Drehmoments (P = 0,006), aber diese Diskrepanz wurde überwunden, indem stattdessen das Spitzendrehmoment aus den isokinetischen Tests verwendet wurde, was zu einer Spitzenleistung führte, die sich nicht von der der isotonischen Kurve (P = 1,00) unterschied (Abbildung 6B). Diese Erhöhung der Spitzenleistung unter Verwendung des Spitzendrehmoments in der isokinetischen Kurve wurde mathematisch erreicht, indem die Krümmung der Drehmoment-Geschwindigkeits-Kurve im Vergleich zur Verwendung des durchschnittlichen Drehmoments (P < 0,001) reduziert wurde (Abbildung 6G), obwohl dasgleiche V max (P = 1,00) beibehalten wurde (Abbildung 6A). Diese Verringerung der Krümmung aufgrund der Verwendung des Spitzendrehmoments aus den isokinetischen Tests führte auch zu einer Überschätzung des Drehmoments bei Spitzenleistung im Vergleich zur isotonischen Kurve (P < 0,001), während die isokinetische Kurve mit dem durchschnittlichen Drehmoment das Drehmoment bei Spitzenleistung besser an die isotonische Kurve (P = 1,00) anpasste (Abbildung 6C). Vor diesem Hintergrund unterschätzte die isokinetische Kurve mit dem durchschnittlichen Drehmoment die Geschwindigkeit bei Spitzenleistung im Vergleich zur isotonischen Kurve (P < 0,001) (Abbildung 6D). Die Verwendung des Spitzendrehmoments für die isokinetische Kurve brachte die Geschwindigkeit bei Spitzenleistung näher an die der isotonischen Kurve, jedoch mit einer immer noch leichten Unterschätzung (P = 0,043) (Abbildung 6D). Während alle Datensätze die Hill-Gleichung stark erfüllten (alle R2 > 0,98), war die isotonische Kurve eine etwas schwächere Anpassung als die beiden anderen (P = 0,015-0,029). Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass dynamische Kontraktionen mit konstanter Last, die realen Bewegungen besser ähneln, im Vergleich zu den häufiger verwendeten dynamischen Kontraktionen mit konstanter Geschwindigkeit bei der Beurteilung der Beziehung zwischen Drehmoment, Geschwindigkeit und Leistung zu unterschiedlichen Ergebnissen führen.

Alle Einzeldaten sind öffentlich zugänglich unter: https://doi.org/10.6084/m9.figshare.29099018.v2

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Abbildung 1: Darstellung, wie die Ratte für die In-vivo-Testung der mechanischen Funktion des Plantarflexors eingerichtet ist. Die Ratte wird unter Isofluran-Narkose auf einer beheizten Plattform positioniert. Der Fuß wird mit fester Ferse fest mit dem Fußpedal verbunden, und eine Klemme wird in das Schienbein geschoben, um den Unterschenkel an Ort und Stelle zu fixieren. Die Einstellknöpfe 1, 2 und 3 unterstützen die optimale Positionierung des Beins in einer kniegestreckten Position und die anatomische Ausrichtung mit der Achse des Fußpedals. Das leitfähige Gel wird über die proximalen und distalen Stellen der Plantarbeugemuskelgruppe verteilt. Der Elektrodenhalter fixiert die Elektroden für die transkutane Stimulation. Das Zahnrad an der maßgefertigten Elektrodenhaltevorrichtung drückte die Elektroden gegen die Haut, die über den Plantarbeugemuskeln lag. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 2: Beispiel für ein rohes Drehmoment, eine Position und Stimulationsspuren für eine isometrische Stimulation von 100 Hz bei einem Knöchelwinkel von 70°, die dann zur Bestimmung des Spitzendrehmoments in isotonischen Kontraktionen mit Lasten von 10 % bis 80 % des Spitzendrehmoments verwendet wurde. Enthalten ist ein Beispiel für die Berechnung und Einstellung der isotonischen Belastung für eine isotonische Kontraktion von 30 %. Beachten Sie, dass beim Einstellen der Lastklemme ("Offset-Kraft") die berechnete Last einen Prozentsatz des maximalen aktiven Drehmoments von 100 Hz darstellt (d. h. Gesamtdrehmoment minus passives Basisdrehmoment), aber das passive Basisdrehmoment wieder addiert wird, da das System nicht zwischen Gesamtdrehmoment und aktivem Drehmoment unterscheiden kann. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 3: Beispiel für Rohdrehmoment- und Positionsspuren isokinetischer Kontraktionen, aus denen das maximale und mittlere Drehmoment während der Verkürzung gemessen wurden. Die vorgestellten Tests werden bei Geschwindigkeiten von 50, 100, 200, 300, 400, 600, 800 und 1000°/s durchgeführt (in den Positionsspurfeldern angegeben). Gestrichelte vertikale Linien in der Anzeige "Stimulation" zeigen den Beginn und das Ende der elektrischen Stimulation an (die tatsächliche Stimulation ist auf diesen Fotos der Datenauslesungen nicht sichtbar). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 4: Darstellung der Schritte, die für die Kurvenanpassung der Drehmoment- (hier als "Kraft" bezeichnet) und der Geschwindigkeitsdaten erforderlich sind. Nachdem jeder einzelne Satz von Drehmoment- und Geschwindigkeitsdaten in einem eigenen Blatt mit der Bezeichnung [Rattenname] [ISOK oder ISOT] (ISOT = isotonisch, ISOK = isokinetisch) angeordnet wurde, wird der Code ausgeführt. Es erscheint ein Fenster, in dem Sie aufgefordert werden, eine Excel-Datei auszuwählen. Nachdem Sie die Datei ausgewählt haben, die alle beschrifteten Blätter enthält, wird jede Kurve nacheinander angezeigt, sodass sie visuell überprüft werden können, um sicherzustellen, dass die eingegebenen Daten keine Fehler enthalten. Jede Kurve zeigt die maximale Verkürzungsgeschwindigkeit (Vmax), den maximalen Drehmomentwert (Fmax), der aus den Messdaten eingegeben worden wäre, die a- und b-Koeffizienten der Kurve, die Krümmung der Drehmoment-Geschwindigkeitskurve (a / Fmax), die Spitzenleistung, den Drehmomentwert, der der Spitzenleistung entspricht ("Opt Force"), den Winkelgeschwindigkeitswert, der der Spitzenleistung entspricht ("Opt Vel"), und derR2-Wert, der angibt, wie gut die gesammelten Daten in die Gleichung passen. Nachdem Sie sich durch jede Kurve geklickt haben, wird automatisch eine Excel-Datei generiert, die alle Daten enthält, die durch die Kurvenanpassung für jede Kurve erzeugt wurden, die gerade durchgeklickt wurde. Denken Sie daran, diese Datei vor dem Schließen zu speichern. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 5: Drehmoment-Winkelgeschwindigkeit-Leistungskurven. (A) Die Drehmoment-Winkelgeschwindigkeitskurven, die aus Rohdaten für die isotonischen Tests (grün), die isokinetischen Tests mit dem durchschnittlichen Drehmoment während der Verkürzung (blau) und die isokinetischen Tests mit dem maximalen Drehmoment während der Verkürzung (orange) erstellt wurden. (B) Die durchschnittlichen Kurven, die sich aus der Anpassung dieser Daten an die Hill-Gleichung1 ergeben, zusammen mit den Drehmoment-Leistungs-Kurven, die sich aus der Multiplikation von Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit ergeben. Die Daten in Feld A werden als Mittelwert ± Standardabweichung dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Abbildung 6: Daten aus der Kurvenanpassung der Drehmoment- und Winkelgeschwindigkeitsdaten. Vergleich von (A) Vmax, (B) Spitzenleistung, (C) Drehmoment bei Spitzenleistung, (D) Geschwindigkeit bei Spitzenleistung, (E) dem a-Koeffizienten, (F) dem b-Koeffizienten, (G) der Krümmung und (H) R2 zwischen den Kurven, die aus den isotonischen Tests (ISOT), isokinetischen Tests mit mittlerem Drehmoment (ISOK AVG) und isokinetischen Tests mit maximalem Drehmoment (ISOK PEAK) generiert wurden. *Signifikante Differenz (P < 0,05). Die Daten werden als Mittelwert ± Standardabweichung dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergänzende Datei 1: Bauanleitung für Elektrodenhalter und 3D-Druckdateien (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.28574951.v1)

Ergänzende Datei 2: .dpf-Protokolldateien für das 3-in-1-System von Aurora Scientific (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.29099018.v2)

Ergänzende Datei 3: Python-Code für kurvenpassende Drehmoment-Winkelgeschwindigkeitsdaten (https://github.com/ahinks192/Torque-Velocity-Curve)

Diskussion

Die vorliegende Studie zeigt einen neuartigen Aufbau für die in vivo Testung der mechanischen Funktion des Plantarflexors von Ratten mittels transkutaner elektrischer Stimulation. Insbesondere zeigt die vorliegende Studie, wie die Beziehung zwischen Drehmoment, Winkelgeschwindigkeit und Leistung mithilfe isotonischer Kontraktionen bewertet werden kann, die besser mit den geschwindigkeitsabhängigen Bedingungen von Bewegungen, die außerhalb des Labors stattfinden, übereinstimmen als isokinetische Kontraktionen. Nichtsdestotrotz wird auch vorgestellt, wie Messungen aus einer isokinetischen Drehmoment-Winkelgeschwindigkeits-Leistungs-Beziehung optimiert werden können, um Ergebnisse aus isotonischen Kontraktionen nachzuahmen. Aufgrund der Wiederholbarkeit dieses Versuchsaufbaus haben diese Bewertungen der dynamischen Leistung auf Gelenkebene das Potenzial, das Verständnis darüber, wie sich Alter, Krankheit, Immobilisierung und verschiedene Bewegungsinterventionen auf die kontraktile Muskelfunktion in Nagetiermodellen auswirken, erheblich zu verbessern. In der Tat wurde dieser Aufbau bereits verwendet, um die mechanische Funktion des Plantarflexors zwischen jungen und alten Ratten sowie vor und nach Gips- und Trainingsinterventionen zu vergleichen 35,36,37,38,28.

Ein wichtiger Vorteil der Anwendung der isotonischen Protokolle gegenüber den isokinetischen Protokollen besteht darin, dass die isotonischen Protokolle für eine bestimmte Ratte individueller angepasst werden können. Die isotonischen Protokolle beginnen mit der Bestimmung der maximalen Drehmomenterzeugungskapazität, dann werden die Lastklemmen auf diesen spezifischen Wert normiert (d. h. die isotonische Kurve weist in Abbildung 5A eine Variation sowohl in der Drehmoment- als auch in der Geschwindigkeitsachse auf). Mit den isokinetischen Protokollen kann Vmax nicht im Voraus bestimmt werden, daher ist es nicht möglich, den Bereich der submaximalen Winkelgeschwindigkeiten auf einen maximalen Geschwindigkeitswert zu normalisieren und stattdessen einen standardisierten Bereich von Winkelgeschwindigkeiten zu verwenden (d. h. die isokinetische Kurve weist nur eine Variation in der Drehmomentachse auf). Dieser standardisierte Bereich könnte für Ratten, die von Natur aus eine langsamere Geschwindigkeitsproduktionskapazität haben (z. B. mit einem Altervon 16,40), zu einem Problem werden, da die Tests nur einen kleineren Bereich ihrer Drehmoment-Winkelgeschwindigkeitskurve erfassen würden, wobei einige der standardisierten Geschwindigkeiten möglicherweise in die Nähe oder über Vmax fallen. Isotonische Kontraktionen ermöglichen daher eine bessere Sicherheit bei der Erfassung einer vollständigen Darstellung der Drehmoment-Winkelgeschwindigkeitskurve und damit der Energieerzeugung zu jedem Zeitpunkt und für jeden Gesundheitszustand. Mit anderen Worten, wie kürzlich von Thompson18 festgestellt, bieten isokinetische Tests keine Unterscheidung zwischen Spitzendrehmoment- und Leistungsmessungen, da die Geschwindigkeiten auf alle Teilnehmer beschränkt sind, während isotonische Tests Drehmoment- und Leistungsmessungen entkoppeln, indem sie die Lasten auf die maximale Drehmomentkapazität eines bestimmten Teilnehmers individualisieren und den Kompromiss zwischen Drehmoment und Geschwindigkeit besser erfassen.

Die Fähigkeit zur besseren Individualisierung isotonischer Kontraktionen könnte erklären, warum die aus isotonischen Kontraktionen konstruierte Drehmoment-Geschwindigkeits-Leistungs-Beziehung einhöheres V max ergab als jede der isokinetischen Methoden (Abbildung 6A). Wenn also das primäre Ziel einer Studie darin besteht, Veränderungen von Vmax zu beurteilen (z. B. vor und nach einer Trainingsintervention), sollten isotonische Kontraktionen verwendet werden, da isokinetische Kontraktionen diesen Wert unterschätzen könnten. Wenn eine Studie jedoch stattdessen daran interessiert ist, Änderungen der Spitzenleistung aufzuklären, können die aus isokinetischen Kontraktionen resultierenden Leistungswerte den isotonischen Kontraktionen ähneln, indem das Spitzendrehmoment (im Gegensatz zum durchschnittlichen Drehmoment) während der isokinetischen Verkürzung aufgezeichnet wird (Abbildung 6B).

Die Messung des Drehmoments bei maximaler Leistung und der Geschwindigkeit bei maximaler Leistung kann auch wertvoll sein, um zu beurteilen, ob die Erzeugung von Drehmoment oder Geschwindigkeit für die dynamische Leistung wichtiger ist. Wenn eine Krankheit beispielsweise keine Änderung der Spitzenleistung, sondern eine Erhöhung des Drehmoments bei Spitzenleistung und eine Abnahme der Geschwindigkeit bei Spitzenleistung aufweist, wirkt sich diese Krankheit überproportional auf die Geschwindigkeit aus, und die Drehmomenterzeugung kompensiert, um die Leistung zu erhalten. Wenn versucht wird, aus isokinetischen Kontraktionen Werte des Drehmoments bei Spitzenleistung und der Geschwindigkeit bei Spitzenleistung zu erhalten, die den Werten aus isotonischen Kontraktionen ähnlich sind, sollten beide in der vorliegenden Studie vorgestellten isokinetischen Methoden angewendet werden. Für das Drehmoment bei Spitzenleistung stimmt die Aufzeichnung des durchschnittlichen Drehmoments aus isokinetischen Kontraktionen eng mit dem überein, das sich aus der isotonischen Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung ergibt (Abbildung 6C). Umgekehrt stimmt die Aufzeichnung des Spitzendrehmoments aus isokinetischen Kontraktionen für die Geschwindigkeit bei maximaler Leistung eher mit der aus der isotonischen Drehmoment-Geschwindigkeits-Beziehung überein, jedoch immer noch mit einer Unterschätzung von 15 % (Abbildung 6D). In einem kürzlich erschienenen Kommentar18 wurde darauf hingewiesen, dass, wenn die funktionellen Fähigkeiten eines Muskels umfassend beschrieben werden sollen, es wünschenswert sein kann, unabhängig davon sowohl isotonische als auch isokinetische Tests aufzuzeichnen, wobei isotonische Tests zur Beurteilung der Spitzenleistung empfohlen werden und isokinetische Tests zur Beurteilung der Spitzendrehmomentproduktion während der Muskelverkürzung erforderlich sind.

Der in der vorliegenden Studie vorgestellte Versuchsaufbau hat auch Vorteile bei der Verbesserung des Laborablaufs im Vergleich zu herkömmlichen Methoden (z. B. Verweilelektroden, periphere Nervenmanschetten) zur Beurteilung der mechanischen Leistung in vivo bei Nagetieren. Der kundenspezifische Elektrodenhalter ermöglicht eine schnelle Einstellung der Höhe der Elektroden und die Einstellung des Abstands zwischen den Elektroden (über die Löcher im roten Elektrodenhalterstück; Abbildung 1) passend für die Beinlänge jeder einzelnen Ratte. Diese Merkmale erleichtern auch die Abstimmung der Elektrodenplatzierung/-position an derselben Ratte zwischen separaten Testsitzungen, was besonders für Längsschnitttrainingsstudien nützlich ist. In der Tat wurde eine typische Widerstandstrainingseinheit (4 Sätze à 8-10 Wiederholungen) mit diesem Setup mit einer Geschwindigkeit von ~15 Minuten pro Ratte oder 10 Ratten in ~2,5 h mit kontinuierlichem Testen absolviert 35,36,37. Darüber hinaus hat die vorliegende Forschungsgruppe, obwohl es hier nicht im Mittelpunkt steht, ein kleineres Elektrodenhalterstück entwickelt, um die mechanische Funktion des Plantarflexors der Maus in vivo zu testen41.

Trotz der methodischen Vorteile dieses Setups gibt es einige Einschränkungen zu beachten. Hier haben wir einen Bewegungsbereich des Knöchels von 70° bis 110° verwendet, da dies die Grenze des von uns verwendeten Kraftaufnehmersystems ist, und eine weiter gestreckte Beinposition, um die Drehmomenterzeugung zu optimieren, wie in unseren früheren Experimenten 35,36,37,38,28 bekannt - dieser Aufbau ermöglicht jedoch die Änderung dieser Positionen (z. B. gebeugte Knieposition, unterschiedliche Bewegungsbereiche des Knöchels, unterschiedliche Aktivierungseinstellungen), um den experimentellen Bedürfnissen eines bestimmten Forschers gerecht zu werden. Es sollte auch beachtet werden, dass dieser Aufbau das dynamische, längenvariable Verhalten, das für die in vivo Muskelfunktion während der Fortbewegung charakteristisch ist, nicht vollständig erfasst, da während der Übergänge zwischen den Gelenkwinkeln Belastungsänderungen auftreten können, die leider nicht in diese kontrollierten Einzelgelenkexperimente implementiert werden können. Schließlich verwendete das vorliegende Protokoll die Hill-Gleichung, um die Drehmoment- und Winkelgeschwindigkeitsdaten anzupassen, was eine hyperbolisch geformte Kurve voraussetzt. Während diese Kurvenform zuverlässig für die Bestimmung der Spitzenleistung ist (die bei submaximalen Kraft- und Geschwindigkeitsniveaus auftritt), kann sie Vmax aufgrund der oft beobachteten doppelhyperbolischen Form der Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung 2,42 überschätzen. Wenn also das Ziel eines Forschers darin besteht, Vmax primär mit dem hier vorgestellten Versuchsaufbau zu bewerten, könnte es empfohlen werden, diese Daten auch an eine komplexere doppelhyperbolische Kurve anzupassen 2,42.

Die hier vorgestellten isotonischen und isokinetischen Drehmoment-Winkelgeschwindigkeits-Leistungs-Beziehungen hatten alle starke (R2 > 0,98) Anpassungen an die Hill-Gleichung (Abbildung 6H). Angesichts der oben genannten Einschränkungen für isokinetische Drehmoment-Winkelgeschwindigkeits-Leistungs-Beziehungen wird jedoch nach Möglichkeit die Verwendung isotonischer Tests empfohlen, insbesondere wenn die Spitzenleistung bewertet werden soll. Wenn stattdessen isokinetische Tests verwendet werden müssen, können die Ergebnisse dieses Artikels als Leitfaden verwendet werden, um die Grenzen zu verstehen und die Übertragbarkeit auf Kontraktionen mit konstanter Last zu maximieren.

Offenlegungen

Christopher Rand und Matthew Borkowski sind bei Aurora Scientific, Inc. angestellt.

Danksagungen

Wir danken dem Tierpflegepersonal für Humangesundheit und Ernährungswissenschaften für die Unterstützung bei der Pflege unserer Ratten. Dieses Projekt wurde vom Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) mit der Fördernummer RGPIN-2024-03782 und einem Zuschuss der NSERC Alliance (ALLRP 603969-25) mit Aurora Scientific Inc. unterstützt.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
1-1/2" stahlverzinkte, glatte Finishing-Nägel Die Hillman Group Canada ULC, Pickering, Ontario, Kanadahttps://shop.hillmangroup.ca/ccrz__ProductDetails?sku=461146&cclcl=en_USFür den maßgefertigten Elektrodenhalter (Bauanleitung in ergänzender Abbildung 1)
Apparat für RattenAurora Scientific Inc. (Aurora, Ontario, Kanada)806D 
Maßgeschneiderter Elektrodenhalter-Aufsatz, entwickelt in Tinkercad (Open-Source-Software) und 3D-gedrucktAutodesk Tinkercad www.tinkercad.comFür den maßgefertigten Elektrodenhalter (Bauanleitung in ergänzender Abbildung 1)
Hochleistungs-Zweiphasen-StimulatorAurora Scientific Inc. (Aurora, Ontario, Kanada)701C
LEGO-TeileBrickLink.comSiehe ergänzende Abbildung S1 für die BrickLink.com Codes für alle LEGO® TeileFür den maßgefertigten Elektrodenhalter (Bauanleitung in ergänzender Abbildung 1)
Spectra 360 ElektrodengelSpektrenhttps://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
Systane Nighttime Lubricant AugensalbeSystanehttps://www.amazon.ca/dp/B004RSQGWC?ref=nb_sb_ss_w_as-reorder_k0_1_12&=&crid=38CVEZ82H7F4&=&sprefix=eye+ointment
Zehn weibliche Sprague-Dawley-RattenCharles River Laboratories (Senneville, QC, Kanada)Dehnungscode: 001
Transporen-Operationsband3M (Milton, Ontario, Kanada)1527
Veet Pure HaarentfernungscremeVeethttps://www.walmart.ca/en/ip/Veet-Pure-Hair-Removal-Cream-Legs-Body-Sensitive-Skin-400-mL/10032637
Warmwasserbereiter/ZirkulatorAurora Scientific Inc. (Aurora, Ontario, Kanada)827A 

Referenzen

  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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