"Avatar", un experimento modificado de bucle de trabajo ex vivo utilizando cepa y activación in vivo

Resumen

Este artículo detalla la metodología para emular la producción de fuerza muscular in vivo durante experimentos de bucle de trabajo ex vivo utilizando un músculo "avatar" de un roedor de laboratorio para evaluar las contribuciones de los transitorios de deformación y la activación a la respuesta de la fuerza muscular.

Resumen

Los comportamientos de movimiento son características emergentes de los sistemas dinámicos que resultan de la producción de fuerza muscular y la producción de trabajo. La interacción entre los sistemas neurales y mecánicos ocurre en todos los niveles de la organización biológica al mismo tiempo, desde el ajuste de las propiedades de los músculos de las piernas mientras se corre hasta la dinámica de las extremidades que interactúan con el suelo. La comprensión de las condiciones en las que los animales cambian sus estrategias de control neural hacia la mecánica muscular intrínseca («prereflejos») en la jerarquía de control permitiría a los modelos musculares predecir la fuerza muscular in vivo y trabajar con mayor precisión. Para comprender la mecánica muscular in vivo, se requiere una investigación ex vivo de la fuerza muscular y el trabajo en condiciones de deformación y carga dinámicamente variables similares a la locomoción in vivo. Las trayectorias de deformación in vivo suelen presentar cambios bruscos (es decir, transitorios de deformación y velocidad) que surgen de las interacciones entre la activación neuronal, la cinemática musculoesquelética y las cargas aplicadas por el entorno. El objetivo principal de nuestra técnica "avatar" es investigar cómo funcionan los músculos durante cambios bruscos en la velocidad de deformación y la carga, cuando la contribución de las propiedades mecánicas intrínsecas a la producción de fuerza muscular puede ser mayor. En la técnica "avatar", el enfoque tradicional de bucle de trabajo se modifica utilizando trayectorias de deformación medidas in vivo y señales electromiográficas (EMG) de los animales durante los movimientos dinámicos para impulsar los músculos ex vivo a través de múltiples ciclos de estiramiento-acortamiento. Este enfoque es similar a la técnica de bucle de trabajo, excepto que las trayectorias de deformación in vivo se escalan adecuadamente y se imponen a los músculos de ratón ex vivo conectados a un servomotor. Esta técnica permite: (1) emular in vivo la tensión, la activación, la frecuencia de zancada y los patrones de bucle de trabajo; (2) variar estos patrones para que coincidan con las respuestas de fuerza in vivo con mayor precisión; y (3) variar las características específicas de la deformación y/o activación en combinaciones controladas para probar hipótesis mecanicistas.

Introducción

Los animales en movimiento logran impresionantes hazañas atléticas de resistencia, velocidad y agilidad en entornos complejos. La locomoción animal es particularmente impresionante en contraste con las máquinas diseñadas por humanos: la estabilidad y la agilidad de los robots, prótesis y exoesqueletos con patas actuales siguen siendo pobres en comparación con los animales. La locomoción con patas en terreno natural requiere un control preciso y ajustes rápidos para alterar la velocidad y maniobrar las características ambientales que actúan como perturbaciones inesperadas^1,2,3....

Protocolo

Todos los estudios en animales fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad del Norte de Arizona. Para el presente estudio se utilizaron músculos extensores largos de los dedos (EDL) de ratones machos y hembras de tipo salvaje (cepa B6C3Fe a/a-Ttn^mdm/J), de 60 a 280 días de edad. Los animales se obtuvieron de una fuente comercial (ver Tabla de Materiales) y se establecieron en una colonia en la Universidad del Norte de Arizona.

1. Selección de la trayectoria de la deformación in vivo y preparación para su uso durante los experimentos de bucle de traba....

Resultados

El objetivo de los experimentos "avatar" es replicar la producción de fuerza in vivo y la salida de trabajo lo más cerca posible durante los experimentos de bucle de trabajo ex vivo. Este estudio eligió usar EDL de ratón como un "avatar" para la MG de rata porque la EDL de ratón y la MG de rata están compuestas principalmente por músculos de contracción rápida^20,21. Ambos músculos son los principales motores de la articulación del tobillo (EDL t.......

Discusión

Si bien los organismos se mueven sin problemas a través de los paisajes, las cargas y tensiones subyacentes que experimentan los músculos varían drásticamente ^1,6,23. Tanto durante la locomoción in vivo ^1,24 como en los experimentos de "avatar", los músculos se estimulan submáximamente en condiciones cíclicas y no estables. Las relaciones isométricas fuerza-long.......

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Sutura de seda trenzada no absorbible 4-0	Mersilk	734H
Cloruro de calcio dihidratado (CaCl2)	Sigma-Aldrich	1086436	Krebs-Henseleit  solución
Dextrosa	Sigma-Aldrich	D9434	Krebs-Henseleit  solución
HEPES	Sigma-Aldrich	PHR1428	Krebs-Henseleit  solución
de ácido hidrothídrico (HCl)	Sigma-Aldrich	1.37055	Krebs-Henseleit  solución
LabView Data Collection	de
magnesio (MgSO4)	Sigma-Aldrich	M7506	Krebs-Henseleit  solución
de cloruro de potasio (KCl)	Sigma-Aldrich	P3911	Krebs-Henseleit  solución
Fosfato de Potasio Monobásico (KH2PO4)	Sigma-Aldrich	5.43841	Krebs-Henseleit  solución
S88 Estimulador	de césped	M643H05	Disponible para su compra en Ebay
El sistema de palanca de la serie 300B	Aurora	1200A	incluye baño de papel tisú con camisa de agua
Bicarbonato de sodio (NaHCO3)	Sigma-Aldrich	S5761	Krebs-Henseleit  solución
de cloruro de sodio (NaCl)	Sigma-Aldrich	S9888	Krebs-Henseleit  solución
de hidróxido de sodio (NaOH)	Sigma-Aldrich	S5881	Krebs-Henseleit  solución
Ratones de tipo salvaje	Jackson Laboratory	B6C3Fe a/a Ttn mdm/J