Name: Avatar, ein modifiziertes ex vivo Work Loop Experimente mit in vivo Stamm und Aktivierung (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-08-18T12:20:00.000+00:00
Duration: 7 min 3 s
Description: Lernen Sie die Avatar-Technik für ex vivo Muskelmechanik mit sinusförmigen Work Loops. Diese Methode verbindet experimentelle Ansätze mit in vivo Funktion und verbessert das Verständnis dynamischer Muskelkraft.

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Wir danken Dr. Nicolai Konow für die Bereitstellung der in dieser Studie verwendeten Daten. Finanziert durch NSF IOS-2016049 und NSF DBI-2021832.

"Avatar"- Optimized Ex Vivo Work Loop Experiment to Emulate In Vivo Muscle Force

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<li>Sponberg, S., Libby, T., Mullens, C. H., Full, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shifts+in+a+single+muscle%27s+control+potential+of+body+dynamics+are+determined+by+mechanical+feedback%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Transactions+of+the+Royal+Society+of+London.+Series+B%2C+Biological+Sciences%22%5BJournal%5D)">Shifts in a single muscle's control potential of body dynamics are determined by mechanical feedback.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 366 (1570), 1606-1620 (2011).</li>
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</ol>

Alle Autoren erkennen an, dass es keinen Interessenkonflikt gibt.

Während sich Organismen nahtlos durch Landschaften bewegen, variieren die zugrunde liegenden Belastungen und Belastungen, denen die Muskeln ausgesetzt sind, drastisch 1,6,23. Sowohl bei der in vivo Fortbewegung 1,24 als auch in "Avatar"-Experimenten werden die Muskeln unter zyklischen, instationären Bedingungen submaximal stimuliert. Die isometrischen Kraft-Läng...

Bewegte Tiere vollbringen beeindruckende athletische Leistungen in Bezug auf Ausdauer, Geschwindigkeit und Beweglichkeit in komplexen Umgebungen. Die Fortbewegung von Tieren ist im Gegensatz zu von Menschen konstruierten Maschinen besonders beeindruckend – die Stabilität und Beweglichkeit von Robotern, Prothesen und Exoskeletten mit aktuellen Beinen bleibt im Vergleich zu Tieren schlecht. Die Fortbewegung mit den Beinen in natürlichem Gelände erfordert eine präzise Steuerung und schnelle Anpassungen, um die Geschwindigkeit zu ändern und Umgebungsmerkmale zu manövrieren, die als unerwartete Störungen wirken1,2,3,4. Das Verständnis der instationären Fortbewegung ist jedoch von Natur aus eine Herausforderung, da die Dynamik von komplexen Wechselwirkungen zwischen der physischen Umgebung, der Muskel-Skelett-Mechanik und der sensomotorischen Kontrolle abhängt1,2. Die Fortbewegung auf den Beinen erfordert die Reaktion auf unerwartete Störungen mit einer schnellen multimodalen Verarbeitung sensorischer Informationen und einer koordinierten Betätigung von Gliedmaßen und Gelenken1,5. Letztendlich wird Bewegung durch Muskeln ermöglicht, die über intrinsische mechanische Eigenschaften des Bewegungsapparates sowie durch neuronale Kontrolle Kraft erzeugen1 ,5,6,7. Eine offene Frage der Neuromechanik ist, wie diese Faktoren zusammenwirken, um koordinierte Bewegungen als Reaktion auf unerwartete Störungen zu erzeugen. Die folgende Technik nutzt die intrinsische mechanische Reaktion des Muskels auf Verformung unter Verwendung von in vivo Dehnungstrajektorien während kontrollierbarer ex vivo Experimente mit einem "Avatar"-Muskel.
Die Muskelarbeitsschleifentechnik hat einen wichtigen Rahmen für das Verständnis der intrinsischen Muskelmechanik bei zyklischen Bewegungen geschaffen8,9,10. Die traditionelle Arbeitsschleifentechnik treibt die Muskeln durch vordefinierte, typischerweise sinusförmige Dehnungsbahnen unter Verwendung von Frequenzen und Aktivierungsmustern, die während In-vivo-Experimenten gemessen wurden2,8,9,11. Die Verwendung von sinusförmigen Längentrajektorien kann die Arbeit und die Leistungsabgabe während flight12 und swimming2 unter Bedingungen realistisch abschätzen, bei denen die Tiere aufgrund der Wechselwirkung mit der Umwelt und der Muskel-Skelett-Kinematik keine schnellen Änderungen der Dehnungstrajektorien erfahren. In-vivo-Muskelzerrungstrajektorien während der Fortbewegung mit den Beinen ergeben sich jedoch dynamisch aus Wechselwirkungen zwischen neuronaler Aktivierung, muskuloskelettaler Kinematik und Lasten, die von der Umgebung ausgeübt werden5,7,13,14. Eine realistischere Arbeitsschleifentechnik ist erforderlich, um Lasten, Dehnungsverläufe und Krafterzeugung zu emulieren, die der in vivo Muskel-Sehnen-Dynamik entspricht und Einblicke in das Zusammenspiel der intrinsischen Muskelmechanik und der neuronalen Steuerung bietet, um angesichts von Störungen koordinierte Bewegungen zu erzeugen.
Hier stellen wir eine neuartige Methode vor, um in vivo Muskelkräfte während der Fortbewegung auf dem Laufband zu emulieren, indem wir einen "Avatar"-Muskel von einem Labornagetier während kontrollierter ex vivo Experimente mit in vivo Dehnungstrajektorien verwenden, die zeitlich veränderliche in vivo Lasten darstellen. Die Verwendung der gemessenen in vivo-Dehnungstrajektorien eines Zielmuskels auf Muskeln eines Labortieres während kontrollierter ex vivo-Experimente emuliert die Belastungen, die während der Fortbewegung auftreten. In den hier beschriebenen Experimenten wird der ex vivo Maus-Musculus extensor digitorum longus (EDL) als "Avatar" für den in vivo medialen Gastrocnemius (MG)-Muskel der Ratte beim Gehen, Traben und Galoppieren auf einem Laufband verwendet13. Dieser Ansatz ähnelt der Work-Loop-Technik, mit dem Unterschied, dass die in vivo-Dehnungstrajektorien entsprechend skaliert und den ex vivo-Mausmuskeln auferlegt werden, die an einem Servomotor befestigt sind. Während sich die EDL-Muskeln der Maus in Größe, Fasertyp und Architektur im Vergleich zur Ratten-MG unterscheiden, ist es möglich, diese Unterschiede zu kontrollieren. Die "Avatar"-Technik ermöglicht es: (1) in vivo Dehnung, Aktivierung, Schrittfrequenz und Arbeitsschleifenmuster zu emulieren; (2) diese Muster zu variieren, um die In-vivo-Kraftreaktionen am genauesten abzugleichen; und (3) spezifische Merkmale der Dehnung und/oder Aktivierung in kontrollierten Kombinationen variieren, um mechanistische Hypothesen zu testen.

<table><tbody><tr><td>Geflochtenes, nicht resorbierbares Seidennaht 4-0&nbsp;</td><td>Mersilk&nbsp;</td><td>734H</td><td></td></tr><tr><td>Calciumchlorid-Dihydrat (CaCl2)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>1086436</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; Lösung</td></tr><tr><td>Dextrose&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D9434</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; Lösung</td></tr><tr><td>HEPES</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>PHR1428</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; Lösung</td></tr><tr><td>Hydorchlorsäure (HCl) &nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>1.37055</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; Lösung</td></tr><tr><td>LabView Data Collection&nbsp;</td><td>Lab-View</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Magnesiumsulfat (MgSO4)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M7506</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; Lösung</td></tr><tr><td>Kaliumchlorid (KCl)&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P3911</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; Lösung</td></tr><tr><td>Kaliumphosphat Monobasisch (KH2PO4)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>5.43841</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; Lösung</td></tr><tr><td>S88 Stimulator</td><td>Gras</td><td>M643H05</td><td>Erhältlich bei Ebay Serie</td></tr><tr><td>300B Hebelsystem</td><td>Aurora</td><td>1200A</td><td>beinhaltet Wassermantel-Gewebebad</td></tr><tr><td>Natriumbicarbonat (NaHCO3)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5761</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; Lösung</td></tr><tr><td>Natriumchlorid (NaCl)&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S9888</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; Lösung</td></tr><tr><td>Natriumhydroxid (NaOH)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; Lösung</td></tr><tr><td>Wildtyp-Mäuse</td><td>Jackson Laboratory</td><td>B6C3Fe a/a Ttn mdm/J</td><td></td></tr></tbody></table>

"avatar", ein modifiziertes ex vivo work loop experimente mit in vivo stamm und aktivierung

"Avatar", a Modified Ex vivo Work Loop Experiments Using In vivo Strain and Activation

Bewegungsverhalten sind emergente Merkmale dynamischer Systeme, die sich aus der Muskelkraftproduktion und der Arbeitsleistung ergeben. Das Zusammenspiel zwischen neuronalen und mechanischen Systemen findet auf allen Ebenen der biologischen Organisation gleichzeitig statt, von der Abstimmung der Eigenschaften der Beinmuskulatur beim Laufen bis hin zur Dynamik der mit dem Boden interagierenden Gliedmaßen. Das Verständnis der Bedingungen, unter denen Tiere ihre neuronalen Kontrollstrategien in Richtung der intrinsischen Muskelmechanik ("Preflexe") in der Kontrollhierarchie verschieben, würde es Muskelmodellen ermöglichen, in vivo Muskelkraft vorherzusagen und genauer zu arbeiten. Um die in vivo Muskelmechanik zu verstehen, ist eine ex vivo Untersuchung der Muskelkraft und -arbeit unter dynamisch variierenden Dehnungs- und Belastungsbedingungen erforderlich, die der in vivo Fortbewegung ähneln. In vivo Dehnungstrajektorien weisen typischerweise abrupte Änderungen auf (d. h. Dehnungs- und Geschwindigkeitstransienten), die sich aus Wechselwirkungen zwischen neuronaler Aktivierung, muskuloskelettaler Kinematik und von der Umgebung aufgebrachten Lasten ergeben. Das Hauptziel unserer "Avatar"-Technik ist es, zu untersuchen, wie Muskeln bei abrupten Änderungen der Dehnungsrate und Belastung funktionieren, wenn der Beitrag der intrinsischen mechanischen Eigenschaften zur Muskelkraftproduktion am höchsten ist. Bei der "Avatar"-Technik wird der traditionelle Work-Loop-Ansatz unter Verwendung von in vivo gemessenen Dehnungstrajektorien und elektromyographischen (EMG) Signalen von Tieren während dynamischer Bewegungen modifiziert, um ex vivo-Muskeln durch mehrere Dehnungs-Verkürzungszyklen zu treiben. Dieser Ansatz ähnelt der Work-Loop-Technik, mit dem Unterschied, dass die in vivo-Dehnungstrajektorien entsprechend skaliert und den ex vivo-Mausmuskeln auferlegt werden, die an einem Servomotor befestigt sind. Diese Technik ermöglicht es: (1) in vivo Dehnung, Aktivierung, Schrittfrequenz und Arbeitsschleifenmuster zu emulieren; (2) diese Muster zu variieren, um die In-vivo-Kraftreaktionen am genauesten abzugleichen; und (3) spezifische Merkmale der Dehnung und/oder Aktivierung in kontrollierten Kombinationen variieren, um mechanistische Hypothesen zu testen.

Das Ziel der „Avatar“-Experimente besteht darin, zu replizieren in vivo Kraftentwicklung und Arbeitsleistung so genau wie möglich während ex vivo Work-Loop-Experimente. Diese Studie entschied sich dafür, den EDL-Muskel der Maus als „Avatar“ für den MG-Muskel der Ratte zu verwenden, da sowohl der EDL-Muskel der Maus als auch der MG-Muskel der Ratte hauptsächlich aus schnellzuckenden Muskeln bestehen.20,21. Beide Muskeln sind Hauptbeweger des Spru...

Dieser Artikel beschreibt die Methodik zur Emulation der in vivo Muskelkraftproduktion während ex vivo Arbeitsschleifenexperimenten mit einem "Avatar"-Muskel von einem Labornagetier, um die Beiträge von Dehnungstransienten und Aktivierung zur Muskelkraftreaktion zu bewerten.

"Avatar", ein modifiziertes ex vivo Work Loop Experimente mit in vivo Stamm und Aktivierung

Movement behaviors are emergent features of dynamic systems that result from muscle force production and work output. The interplay between neural and ...

Das Ziel meines Labors ist es, die in vivo Muskelfunktion zu verstehen, indem ich neue experimentelle Paradigmen für ex vivo Experimente und Modelle entwickle, die sich wirklich auf die in vivo Muskelfunktion beziehen. Bei der Art von Experimenten und Modellen, die wir in den letzten 20 Jahren verwendet haben, wird immer offensichtlicher, dass sie sich nicht wirklich auf die In-vivo-Muskelfunktion beziehen. Derzeit besteht eine Wissenslücke zwischen Top-down-Ansätzen, die die Muskelfunktion in vivo während dynamischer Bewegungen von Menschen und Tieren messen, und Bottom-up-Ansätzen, die kontrollierte ex vivo und/oder in situ Experimente verwenden, die die Muskelmechanik unter isometrischen und/oder isotonischen Bedingungen messen.Wir versuchen, physiologisch relevante ex vivo und in situ Experimente zu entwerfen, die die in vivo Muskelmechanik informieren. Die in unserem Bereich am häufigsten verwendete Technik ist die sinusförmige Arbeitsschleifentechnik, die Mitte der 1980er Jahre von Bob Josephson entwickelt wurde. Diese Technik verwendet sinusförmige oder manchmal satu-Dehnungstrajektorien bei in vivo-Frequenzen mit in vivo-Stimulationsmustern, um die in vivo-Muskelfunktion zu

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

Hier entwickeln wir die notwendigen Werkzeuge...

Ex vivo Live-Imaging von Single Cell Divisionen in Maus Neuroepithel

Experience-abhängigen molekularen Veränderungen in Nervenzellen sind essentiell für die Fähigkeit des Gehirns, in Reaktion auf Verhaltensstörungen Herausforderungen anzupassen.

In Vivo Zwei-Photonen-Imaging Of Experience-abhängigen molekularen Veränderungen in kortikalen Neuronen

Wir beschreiben die Dissektion und Ex-vivo-Kultur von embryonalen Maus-Haut. Das Kultursystem unterhält eine Luft-Flüssigkeit-Grenzfläche über die Gewebeoberfläche und ermöglicht die Abbildung auf einem inversen Mikroskop. Melanoblasten eine Komponente der Entwicklungs Haut, fluoreszierend markiert damit ihr Verhalten unter Verwendung der konfokalen Mikroskopie beobachtet werden.

Ex-vivo-Kultur von embryonalen Maus-Haut-und-Live-Darstellung von Migration Melanoblasten

Ex vivo ERG kann verwendet werden, um die elektrische Aktivität von Netzhautzellen direkt von isolierten intakten Netzhäuten von Tieren oder Menschen aufzuzeichnen. Wir zeigen hier, wie gängige in vivo ERG-Systeme für ex vivo ERG-Aufzeichnungen adaptiert werden können, um die elektrische Aktivität von Netzhautzellen zu zerlegen.

Gleichzeitig<em&gt; Ex vivo</em&gt; Funktionsprüfung von zwei Netzhäute von<em&gt; In vivo</em&gt; Elektroretinogramm-System

Großskalige 2D-Elektronenmikroskopie (EM) oder Nanotomie ist die gewebeweite Anwendung von EM mit nanoskaliger Auflösung. Hier beschreiben wir eine universelle Methode zur Nanotomie, die zur Untersuchung des Gehirns von Zebrafischlarven in der Gesundheit und bei nicht-invasiven Hirnverletzungen angewendet wird.

Großflächige Raster-Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (Nanotomy) gesunder und verletzter cerebra-

Wir präsentieren ein Protokoll zur Untersuchung der Verteilung von Mitochondrien und endoplasmatischem Retikulum in ganzen Zellen nach genetischer Veränderung mittels korrelativer Licht- und Volumenelektronenmikroskopie einschließlich Ascorbatperoxidase 2 und Meerrettichperoxidase-Färbung, serielle Steilerstellung von Zellen mit und ohne Zielgen im selben Abschnitt und serielle Bildgebung mittels Elektronenmikroskopie.

Mitochondrien und Endoplasmatische Retikulum-Bildgebung durch korrelative Licht- und Volumenelektronenmikroskopie

Dieses Protokoll beschreibt einen neuartigen rAAV-basierten transienten Enhancer-Reporter-Assay. Dieser Assay kann verwendet werden, um eine enhancergesteuerte Expression in vivo im Gehirn der Maus zu induzieren.

AAV-Einsatz von Enhancer-basierten Expressionskonstrukten in vivo im Gehirn von Mäusen

Die Modifikation bestehender Multielektroden-Array- oder Patch-Clamp-Geräte  macht das Ex-vivo-Elektroretinogramm breiter zugänglich. Verbesserte Methoden zur Aufzeichnung und Aufrechterhaltung von Ex-vivo-Lichtantworten erleichtern die Untersuchung der Photorezeptor- und ON-bipolaren Zellfunktion in der gesunden Netzhaut, Tiermodellen von Augenkrankheiten und menschlichen Spendernetzhaut.

Optimierung des Aufbaus und der Bedingungen für das Ex-vivo-Elektroretinogramm zur Untersuchung der Netzhautfunktion bei kleinen und großen Augen

Wir präsentieren ein detailliertes Protokoll für die korrelative Licht- und Elektronenmikroskopie nach der Einbettung von Epon unter Verwendung eines fluoreszierenden Proteins namens mScarlet. Diese Methode kann die Fluoreszenz und die Ultrastruktur gleichzeitig aufrechterhalten. Diese Technik ist für eine Vielzahl biologischer Anwendungen geeignet.

Epon Post Embedding Korrelative Licht- und Elektronenmikroskopie

Diese Arbeit demonstriert eine Methode zur Visualisierung und Quantifizierung der Mikroglia-Motilität und des Kontakts mit postsynaptischen Puncta in der Netzhaut mittels rotierender Scheiben-Konfokalmikroskopie.

Live-Bildgebung und Charakterisierung der Mikroglia-Dynamik und Wechselwirkungen mit Synapsen in erkrankter Maus-Netzhaut

Lernen Sie die Avatar-Technik für ex vivo Muskelmechanik mit sinusförmigen Work Loops. Diese Methode verbindet experimentelle Ansätze mit in vivo Funktion und verbessert das Verständnis dynamischer Muskelkraft.

"Avatar", ein modifiziertes ex vivo Work Loop Experimente mit in vivo Stamm und Aktivierung

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