この記事では、実験室のげっ歯類の「アバター」筋肉を使用して、ひずみ過渡現象と筋力応答への活性化の寄与を評価するためのex vivoワークループ実験中にin vivo筋力生成をエミュレートする方法論について詳しく説明します。
Method Article
この記事では、実験室のげっ歯類の「アバター」筋肉を使用して、ひずみ過渡現象と筋力応答への活性化の寄与を評価するためのex vivoワークループ実験中にin vivo筋力生成をエミュレートする方法論について詳しく説明します。
運動行動は、筋肉の力の生成と仕事の出力から生じる動的システムの創発的な特徴です。神経系と機械システムの相互作用は、ランニング中の脚の筋肉特性のチューニングから、地面と相互作用する手足のダイナミクスまで、生物学的組織のすべてのレベルで同時に発生します。動物が制御階層で神経制御戦略を内因性筋力学(「前屈」)にシフトする条件を理解することで、筋肉モデルはin vivoの筋力を予測し、より正確に機能するようになります。in vivoの筋力学を理解するためには、in vivoの移動運動と同様に、動的に変化するひずみや負荷条件下での筋力と働きをex vivoで調査する必要があります。In vivoのひずみ軌道は、通常、神経活性化、筋骨格運動学、および環境によって加えられる負荷の間の相互作用から生じる急激な変化(すなわち、ひずみおよび速度過渡現象)を示します。私たちの「アバター」技術の主な目標は、筋力の生成に対する固有の機械的特性の寄与が最も高い場合、ひずみ速度と負荷の急激な変化時に筋肉がどのように機能するかを調査することです。「アバター」技術では、従来のワークループアプローチを、動的な動きの中で測定されたin vivoのひずみ軌道と動物からの筋電図(EMG)信号を使用して修正し、複数のストレッチ短縮サイクルを通じてex vivoの筋肉を駆動します。このアプローチはワークループ技術と似ていますが、in vivoのひずみ軌道が適切にスケーリングされ、サーボモーターに取り付けられたex vivoマウスの筋肉に課される点が異なります。この技術により、(1)in vivoのひずみ、活性化、ストライド周波数、およびワークループパターンをエミュレートできます。(2)これらのパターンを変化させて、in vivoの力応答に最も正確に一致させます。(3)制御された組み合わせでひずみおよび/または活性化の特定の特徴を変化させて、メカニズム仮説をテストします。
動く動物は、複雑な環境で持久力、スピード、敏捷性という印象的な運動能力を達成します。動物の移動は、人間が操作した機械とは対照的に特に印象的です-現在の脚のロボット、義肢、および外骨格の安定性と敏捷性は、動物と比較して劣ったままです。自然地形での脚付き移動には、予期しない摂動として機能する速度と操縦環境の特徴を変更するための正確な制御と迅速な調整が必要です1,2,3,4.しかし、非定常移動の理解は、ダイナミクスが物理環境、筋骨格力学、および感覚運動制御1,2の間の複雑な相互作用に依存するため、本質的に困難です。脚移動には、感覚情報の迅速なマルチモーダル処理と手足と関節の協調的な作動により、予期しない摂動に対応する必要があります1,5。最終的に、動きは、筋骨格系の本質的な機械的特性を介して力を生み出す筋肉と、神経制御によって可能になります1,5,6,7.神経力学の未解決の問題は、これらの要因がどのように相互作用して、予期しない摂動に応答して協調的な動きを生み出すかです。次の技術は、「アバター」筋肉を使用した制御可能なex vivo実験中に、in vivoひずみ軌道を使用して変形に対する筋肉の固有の機械的応答を利用します。
マッスルワークループ技術は、周期的な動きの間の内因性筋力学を理解するための重要なフレームワークを提供しました8,9,10.従来のワークループ技術は、in vivo実験中に測定された周波数と活性化パターンを使用して、事前定義された(通常は正弦波)ひずみ軌道を通じて筋肉を駆動します2,8,9,11。正弦波長の軌道を使用すると、環境や筋骨格運動学との相互作用により動物がひずみ軌道の急激な変化を受けない条件下で、飛行中の仕事と出力を現実的に推定できます12および水泳2。しかし、脚の移動中のin vivoでの筋緊張の軌跡は、神経活性化、筋骨格運動学、および環境によって加えられる負荷の間の相互作用から動的に発生します5,7,13,14。荷重、ひずみ軌道、および力の生成をエミュレートするには、in vivoの筋肉-腱ダイナミクスに対応し、摂動に直面して内因性の筋力学と神経制御がどのように相互作用して協調運動を生成するかについての洞察を提供する、より現実的なワークループ技術が必要です。
ここでは、時間的に変化するin vivo負荷を表すin vivoひずみ軌道を持つ制御されたex vivo実験中に、実験室のげっ歯類の「アバター」筋肉を使用して、トレッドミル移動中のin vivo筋肉力をエミュレートする新しい方法を紹介します。制御された ex vivo 実験中に、標的の筋肉から測定された in vivo ひずみの軌跡を実験動物の筋肉に使用すると、移動中に経験する負荷がエミュレートされます。ここで説明する実験では、トレッドミルでの歩行、速歩、ギャロッピング中に、ex vivo マウス長指伸筋 (EDL) 筋を in vivo ラット内側腓腹筋 (MG) 筋の「アバター」として使用します13。このアプローチはワークループ技術と似ていますが、in vivoのひずみ軌道が適切にスケーリングされ、サーボモーターに取り付けられたex vivoマウスの筋肉に課される点が異なります。マウスのEDL筋は、ラットMGと比較してサイズ、繊維の種類、構造が異なりますが、これらの違いを制御することは可能です。「アバター」技術により、(1)in vivoのひずみ、活性化、ストライド周波数、およびワークループパターンをエミュレートできます。(2)これらのパターンを変化させて、in vivoの力応答に最も正確に一致させます。(3)制御された組み合わせでひずみおよび/または活性化の特定の特徴を変化させて、メカニズム仮説をテストします。
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
すべての動物実験は、北アリゾナ大学の施設動物管理および使用委員会によって承認されました。本研究では、60-280日齢の雄および雌の野生型マウス(B6C3Fe a/a-Ttnmdm/J株)の長指伸筋(EDL)を使用しました。動物は商業的な供給源(資料表を参照)から入手し、北アリゾナ大学のコロニーに設立されました。
1. in vivo ひずみ軌道の選択とex vivoワークループ実験での使用準備
注:このプロトコルでは、著者(Nicolai Konow、UMass Lowell、私信)に直接提供されたin vivo動的移動からの事前測定が、ex vivo実験で使用されました。元のデータは、Wakeling et al.15 で収集されました。プロトコルを複製するには、時間、長さまたはひずみ、EMG/活性化、および力のデータが必要です。

図1:in vivo全試験の経時的な長さ。 ラットMGの時間に対してプロットされた長さ(mm)ストライドは、最短の長さから最短の長さまで、シングルストライドと見なされる円で区切られます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
2. ex vivoでのマウス筋の最大等尺性力の評価
| 実験 | シミュレーション強度(V) | パルス周波数(pps / Hz) | 刺激時間(ミリ秒) | コメント | ||||||||
| 1. "ウォームアップ" | 80 | 1 | 1 | 長さを0.50 V増減して、1 Vのパッシブテンションを見つけます | ||||||||
| 2. 最適な筋長のけいれん (L0) | 80 | 1 | 1 | 長さを0.50 V増減して、~1 Vのパッシブテンションを見つけます | ||||||||
| 3. 最適な筋肉長破傷風 (L0) | 80 | 180 | 500 | 0.50 Vずつ長さを変更する間に3分間休憩 | ||||||||
| 4. 実験前のサブマキシマルL0 | 45 | 110 | 500 | L0の長さで | ||||||||
| 6. アバター実験 | 45 | 110 | マウスEDLの代表的な長さの変更を周期的に使用します | |||||||||
| 7. 実験後のサブマックスL0 | 45 | 110 | 500 | 実験後にL0に戻り、L0を測定します | ||||||||
表1:刺激プロトコル。 最大上および最大下単収縮および破傷風の最適な長さを見つけるための刺激プロトコル。プロトコルは、刺激強度、タイミング、およびパルス/秒によって異なります。
3. 選択したin vivoひずみ軌道を用いた「アバター」ワークループ技術の完成

図2:一致するパッシブテンションの上昇。 受動的張力のin vivoおよびex vivoの上昇を示すワークループ(矢印)。ラットMG(黒)が2.9Hzで歩行する様子のin vivoスケールワークループ(Wakeling et al.15のデータ)。2.9 HzでのマウスEDL(緑)からのex vivoスケールワークループ(A)マウスEDL筋の開始長さは+5%L0です。(B)マウスEDL筋の開始長さはL0です。ex vivo 受動的張力上昇は、A の in vivo 張力上昇と一致しますが、B では一致しないことに注意してください。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:ラットMGのin vivo力に一致するようにマウスEDLの刺激時間を最適化します(黒線)。 EMGベースの刺激(緑の破線)を使用してマウスEDLによって生成される力は、in vivoの力よりも早く減少しますが、これはラットMGと比較してマウスEDLの早期不活性化によるものと考えられます。in vivo と ex vivo の力の適合を最適化するために、マウスの EDL をより長い時間刺激しました (緑色の実線)。EMGベースの刺激R2 = 0.55、最適化された刺激R2 = 0.91。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
「アバター」実験の目標は、ex vivoワークループ実験中に、in vivoの力の生成と仕事の出力をできるだけ忠実に再現することです。この研究では、マウスEDLとラットMGの両方が主に速筋で構成されているため、マウスEDLをラットMGの「アバター」として使用することを選択しました20,21。両筋肉は足首関節の主要な可動器(EDL足首背屈筋、MG足首足底屈筋)で、ペネーション角度はほぼ同じです(マウスEDL 12.4 + 2.12°22、ラットMG 20°、この研究で使用した15)。ラットMG15のスケール化された代表的な作業ループを、2つの異なる刺激プロトコル(1つは測定されたEMG活性から、もう1つはステップ3.3のように最適化)を使用して、ex vivoの「アバター」実験(図4)と...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
生物は風景をシームレスに移動しますが、筋肉が経験する根底にある負荷と緊張は劇的に異なります1,6,23。生体内移動1,24と「アバター」実験の両方で、筋肉は周期的で非定常な条件下で最大以下で刺激されます。等尺性力と長さの関係と等張力と速度の関係は、これらの条件下での筋力の予測にはあまり適していません2。非定常ひずみ(つまり、過渡現象)と荷重の影響を理解することは、in vivo移動中の力の生成を予測するために不可欠であり、したがって、これらの「アバター」実験を開発する主な理論的根拠です2。「アバター」実験では、力出力を測定しながら、筋肉の負荷とひずみの軌跡を制御できます。「アバター」技術は、神経制御と腱コン...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
すべての著者は、利益相反がないことを認めています。
この研究で使用したデータを提供してくださったニコライ・コノウ博士に感謝します。NSF IOS-2016049 および NSF DBI-2021832 から資金提供を受けています。
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 編組非吸収性シルク縫合糸4-0 | マーシルク | 734H | |
| 塩化カルシウム二水和物 (CaCl2) | Sigma-Aldrich | 1086436 | Krebs-Henseleit 溶液 |
| デキストロース | シグマ・アルドリッチ | D9434 | クレブス・ヘンセライト ソリューション |
| HEPES | Sigma-Aldrich | PHR1428 | Krebs-Henseleit 溶液 |
| 水糖酸(HCl) | シグマ・アルドリッチ | 1.37055 | クレブス・ヘンセライト ソリューション |
| LabViewデータ収集 | Lab-View | ||
| 硫酸マグネシウム (MgSO4) | Sigma-Aldrich | M7506 | Krebs-Henseleit 溶液 |
| 塩化カリウム(KCl) | シグマ・アルドリッチ | P3911 | クレブス・ヘンセライト 溶液 |
| リン酸カリウム 一塩基性 (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | 5.43841 | Krebs-Henseleit ソリューション |
| S88刺激装置 | グラス | M643H05 | Ebay |
| シリーズ300Bレバーシステムで | オーロラ | 1200A | は、ウォータージャケットティッシュバス |
| 重炭酸ナトリウム(NaHCO3) | Sigma-Aldrich | S5761 | Krebs-Henseleit 溶液 |
| 塩化ナトリウム(NaCl) | シグマ・アルドリッチ | S9888 | クレブス・ヘンセライト 溶液 |
| 水酸化ナトリウム(NaOH) | Sigma-Aldrich | S5881 | Krebs-Henseleit 溶液 |
| 野生型マウス | ジャクソン研究所 | B6C3Fe a/a Ttn mdm/J |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission