מאמר זה מפרט את המתודולוגיה לחיקוי ייצור כוח שריר in vivo במהלך ניסויי לולאת עבודה ex vivo באמצעות שריר "אווטאר" ממכרסם מעבדה כדי להעריך את התרומות של מעברי מתח והפעלה לתגובת כוח השריר.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
"אווטאר", ניסויי לולאת עבודה ex vivo מותאמים באמצעות מתח והפעלה in vivo
במאמר זה
סיכום
תקציר
התנהגויות תנועה הן מאפיינים מתעוררים של מערכות דינמיות הנובעות מייצור כוח שרירים ותפוקת עבודה. יחסי הגומלין בין מערכות עצביות ומכניות מתרחשים בכל רמות הארגון הביולוגי בו זמנית, החל מכוונון תכונות שרירי הרגליים בזמן הריצה ועד לדינמיקה של הגפיים המקיימות אינטראקציה עם הקרקע. הבנת התנאים שבהם בעלי חיים משנים את אסטרטגיות הבקרה העצבית שלהם לעבר מכניקת שרירים פנימית ('פרפלקסים') בהיררכיית הבקרה תאפשר למודלים של שרירים לחזות את כוח השריר in vivo ולעבוד בצורה מדויקת יותר. כדי להבין את מכניקת השרירים in vivo, נדרשת חקירה ex vivo של כוח השריר ועבודה בתנאי מתח ועומס משתנים דינמית הדומים לתנועה in vivo. מסלולי מתח in vivo מציגים בדרך כלל שינויים פתאומיים (כלומר, מעברי מתח ומהירות) הנובעים מאינטראקציות בין הפעלה עצבית, קינמטיקה של שרירים ושלד ועומסים המופעלים על ידי הסביבה. המטרה העיקרית של טכניקת ה"אווטאר" שלנו היא לחקור כיצד השרירים מתפקדים במהלך שינויים פתאומיים בקצב המתח והעומס כאשר התרומה של תכונות מכניות מהותיות לייצור כוח השריר עשויה להיות הגבוהה ביותר. בטכניקת "אווטאר", גישת לולאת העבודה המסורתית משתנה באמצעות מסלולי מתח נמדדים in vivo ואותות אלקטרומיוגרפיים (EMG) מבעלי חיים במהלך תנועות דינמיות כדי להניע את שרירי ex vivo דרך מחזורי קיצור מתיחה מרובים. גישה זו דומה לטכניקת לולאת העבודה, אלא שמסלולי המתח in vivo מותאמים כראוי ונכפים על שרירי עכבר ex vivo המחוברים למנוע סרוו. טכניקה זו מאפשרת לאדם: (1) לחקות מתח in vivo, הפעלה, תדירות צעדים ודפוסי לולאת עבודה; (2) לשנות את הדפוסים הללו כך שיתאימו לתגובות הכוח in vivo בצורה המדויקת ביותר; ו-(3) לשנות מאפיינים ספציפיים של מתח ו/או הפעלה בשילובים מבוקרים כדי לבחון השערות מכניסטיות.
מבוא
בעלי חיים נעים משיגים הישגים אתלטיים מרשימים של סיבולת, מהירות וזריזות בסביבות מורכבות. תנועת בעלי חיים מרשימה במיוחד בניגוד למכונות מהונדסות על ידי בני אדם - היציבות והזריזות של רובוטים בעלי רגליים, תותבות ושלדים חיצוניים נותרו גרועות בהשוואה לבעלי חיים. תנועת רגליים בשטח טבעי דורשת שליטה מדויקת והתאמות מהירות כדי לשנות את המהירות ולתמרן תכונות סביבתיות הפועלות כהפרעות בלתי צפויות1,2,3,4. עם זאת, הבנת תנועה לא יציבה היא מאתגרת מטבעה מכיוון שהדינמיקה תלויה באינטראקציות מורכבות בין הסביבה הפיזית, מכניקת השרירים והשלד ושליטה סנסורית-מוטורית
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול
כל מחקרי בעלי החיים אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול בבעלי חיים ולהם שימוש (IACUC) באוניברסיטת צפון אריזונה. שרירי כותב האצבעות הארוך (EDL) נלקחו מעכברים זכרים ונקבות מסוג פרא (wild-type, זן B6C3Fe a/a-Ttn)MDMבמטרת המחקר הנוכחי נעשה שימוש בחיות בגילאי 60-280 ימים. החיות נרכשו ממקור מסחרי (ראה טבלת חומרים), והוקמו כמושבה באוניברסיטת צפון אריזונה (Northern Arizona University).
1. בחירה in vivo מסלול המתיחה וההכנה לשימוש במהלך ex vivo ניסויי לולאת עבודה
הערה: בפרוטוקול זה, מדידות קודמות של תנועה דינמית in vivo, אשר סופקו ישירות למחברים (Nicola....
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות
מטרת ניסויי ה-"avatar" היא לשחזר את ייצור הכוח והתפוקת העבודה in vivo בצורה המדויקת ביותר האפשרית במהלך ניסויי לולאות עבודה ex vivo. במחקר זה נבחר להשתמש בשריר ה-EDL של עכבר כ-"avatar" עבור שריר ה-MG של חולדה, מכיוון ששני השרירים הללו מורכבים בעיקר משרירים בעלי התכווצות מהירה20,21. שני השרירים הם מניעים עיקריים של מפרק הקרסול (EDL הוא dorsiflexor של הקרסול, MG הוא plantarflexor של הקרסול) עם זוויות פנציה דומות (EDL של עכבר 12.4 + 2.12°
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דיון
בעוד שאורגניזמים נעים בצורה חלקה על פני נופים, העומסים והמתחים הבסיסיים שהשרירים חווים משתנים באופן דרסטי 1,6,23. הן במהלך תנועה in vivo 1,24 והן בניסויי "אווטאר", השרירים מגורים באופן תת-מקסימלי בתנאים מחזוריים ולא יציבים. יחסי הכוח-אורך האיזומטרי והכוח-מהירות האיזוטוניים אינם מתאימים היטב לחיזוי כוח השריר בתנאים אלה2. הבנת ההשפעות של מת.......
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גילויים
כל המחברים מודים שאין ניגוד אינטרסים.
תודות
אנו מודים לד"ר ניקולאי קונאו על שסיפק את הנתונים ששימשו במחקר זה. ממומן על ידי NSF IOS-2016049 ו-NSF DBI-2021832.
....הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| תפר משי קלוע שאינו נספג 4-0 | מרסילק | 734H | |
| סידן כלוריד דיהידרט (CaCl2) | סיגמא-אולדריץ | 1086436 | קרבס-הנסליט תמיסה |
| : דקסטרוז | סיגמא-אולדריץ' | D9434 | קרבס-הנסלייט פתרון |
| HEPES | Sigma-Aldrich | PHR1428 | Krebs-Henseleit תמיסה |
| : חומצה הידורכלורית (HCl) | סיגמא-אולדריץ' | 1.37055 | קרבס-הנסלייט פתרון |
| LabView איסוף נתונים | ( | ||
| MgSO4) | Sigma-Aldrich | M7506 | Krebs-Henseleit תמיסה |
| אשלגן כלורי (KCl) | סיגמא-אולדריץ' | P3911 | קרבס-הנסלייט תמיסה |
| אשלגן פוספט מונו-בסיסי (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | 5.43841 | Krebs-Henseleit פתרון |
| S88 דשא ממריץ | M643H05 | זמין לרכישה במערכת | |
| המנוף מסדרת Ebay 300B | Aurora | 1200A | כולל אמבט רקמות מעטפת מים |
| נתרן ביקרבונט (NaHCO3) | Sigma-Aldrich | S5761 | Krebs-Henseleit תמיסה |
| נתרן כלורי (NaCl) | סיגמא-אולדריץ' | S9888 | קרבס-הנסלייט תמיסה |
| נתרן הידרוקסיד (NaOH) | סיגמא-אולדריץ' | S5881 | קרבס-הנסלייט פתרון |
| עכברים מסוג בר | מעבדת ג'קסון | B6C3Fe a/a Ttn mdm/J |
מקורות
- Dickinson, M. H. How Animals move: an integrative view. Science. 288 (5463), 100-106 (2000).
- Sponberg, S., Abbott, E., Sawicki, G. S. Perturbing the muscle work loop paradigm to unravel the neuromechanics of unsteady locomotion. Journal of Experimental Biology
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הדפסות חוזרות והרשאות
תגיות
