« Avatar », une boucle de travail ex vivo modifiée utilisant une déformation et une activation in vivo

Caitlin Bemis; Kiisa Nishikawa

doi:10.3791/65610

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Article de méthode

« Avatar », une boucle de travail ex vivo modifiée utilisant une déformation et une activation in vivo

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DOI :

10.3791/65610

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18 août 2023

Caitlin Bemis¹ , Kiisa Nishikawa¹

¹Northern Arizona University

Dans cet article

Résumé

Cet article détaille la méthodologie d’émulation de la production de force musculaire in vivo lors d’expériences de boucle de travail ex vivo à l’aide d’un muscle « avatar » d’un rongeur de laboratoire pour évaluer les contributions des transitoires de tension et de l’activation à la réponse de la force musculaire.

Résumé

Les comportements de mouvement sont des caractéristiques émergentes des systèmes dynamiques qui résultent de la production de force musculaire et du rendement du travail. L’interaction entre les systèmes neuronaux et mécaniques se produit simultanément à tous les niveaux de l’organisation biologique, de l’ajustement des propriétés musculaires des jambes pendant la course à la dynamique des membres interagissant avec le sol. Comprendre les conditions dans lesquelles les animaux modifient leurs stratégies de contrôle neuronal vers la mécanique musculaire intrinsèque (« réflexes ») dans la hiérarchie de contrôle permettrait aux modèles musculaires de prédire la force musculaire in vivo et de travailler avec plus de précision. Pour comprendre la mécanique musculaire in vivo, il est nécessaire d’étudier ex vivo la force musculaire et de travailler dans des conditions de tension et de charge variant dynamiquement, similaires à la locomotion in vivo. Les trajectoires de déformation in vivo présentent généralement des changements brusques (c’est-à-dire des transitoires de déformation et de vitesse) qui résultent d’interactions entre l’activation neuronale, la cinématique musculo-squelettique et les charges appliquées par l’environnement. L’objectif principal de notre technique « avatar » est d’étudier comment les muscles fonctionnent lors de changements brusques de vitesse de déformation et de charge lorsque la contribution des propriétés mécaniques intrinsèques à la production de force musculaire peut être la plus élevée. Dans la technique « avatar », l’approche traditionnelle de la boucle de travail est modifiée à l’aide de trajectoires de contrainte mesurées in vivo et de signaux électromyographiques (EMG) d’animaux pendant des mouvements dynamiques pour faire passer les muscles ex vivo à travers plusieurs cycles d’étirement-raccourcissement. Cette approche est similaire à la technique de la boucle de travail, sauf que les trajectoires de déformation in vivo sont mises à l’échelle de manière appropriée et imposées à des muscles de souris ex vivo attachés à un servomoteur. Cette technique permet de : (1) émuler in vivo la déformation, l’activation, la fréquence de foulée et les motifs de boucle de travail ; (2) varier ces modèles pour correspondre le plus précisément possible aux réponses de force in vivo ; et (3) faire varier les caractéristiques spécifiques de la souche et/ou de l’activation dans des combinaisons contrôlées pour tester des hypothèses mécanistes.

Introduction

Les animaux en mouvement accomplissent des exploits athlétiques impressionnants d’endurance, de vitesse et d’agilité dans des environnements complexes. La locomotion animale est particulièrement impressionnante par rapport aux machines conçues par l’homme - la stabilité et l’agilité des robots, des prothèses et des exosquelettes à pattes actuelles restent médiocres par rapport aux animaux. La locomotion sur pattes en terrain naturel nécessite un contrôle précis et des ajustements rapides pour modifier la vitesse et les caractéristiques environnementales de manœuvre qui agissent comme des perturbations inattendues¹^,^2....