方法論記事

ラット足底屈筋の in vivo における 定荷重 (等張) および等速 (等速) トルク - 速度 - パワープロファイルの構築

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DOI：

10.3791/68858

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2025年10月3日

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1Neuromechanical Performance Research Lab, Department of Human Health and Nutritional Sciences, College of Biological Sciences, University of Guelph, 2Aurora Scientific Inc.

* These authors contributed equally

この記事について

サマリー

ここでは、経皮的筋肉刺激を使用して、ラット足底屈筋のトルク-角速度-出力関係 をin vivoで 非侵襲的に測定するための新しいプロトコルを提示します。このセットアップにより、力変換器/長さコントローラー システムで等張筋収縮を簡単にテストでき、日常の動きの一定負荷の性質をより適切に表現できます。

要約

筋肉のトルク-速度-パワー関係を理解することは、健康と病気に影響を与える動的な筋肉のパフォーマンスを評価するために重要です。ヒトでのダイナモメトリー研究では、この関係を評価するために等速性(等速)または等張性(定負荷)収縮を使用しますが、げっ歯類モデルは、市販のシステムで等張荷重クランプ実験を実行することが複雑であるため、ほぼ排他的に等速性収縮に依存してきました。等張収縮は、実験室の外で発生する動きの一定負荷条件とよりよく一致します。ここでは、ラット足底屈筋の等張トルク-角速度-電力関係を in vivo で評価するための、新規で低侵襲の経皮的電気刺激プロトコルと段階的なワークフローを紹介します。等張および等速性トルク-角速度-出力曲線を10匹のSprague-Dawleyラットで比較しました。等張収縮は、平均トルクを使用する等速収縮と比較して、より高い最大短縮速度 (Vmax) とピーク パワーをもたらしました。ただし、トルク-角速度曲線の曲率が減少するため、等速性収縮からのピークトルクを測定する場合、等速性ピークパワーは等張ピークパワーとよりよく一致しました。さらに、ピーク電力でのトルクと速度は、使用されたプロトコルタイプによって異なりました。すべてのデータセットはヒルの方程式に強く適合しますが(R2 > 0.98)、アイソトニックデータは「最も弱い」適合度がありましたが、これはおそらく定負荷収縮のより変動的な性質によるものです。これらの調査結果に基づいて、特に Vmax またはピーク パワーを評価することを目的とする場合は、可能であれば等張収縮の使用が推奨されます。代わりに等速性試験を使用する必要がある場合は、制限を理解し、定負荷収縮への翻訳可能性を最大化するための貴重なガイドがここに提供されます。

概要

運動、成熟、老化、または病気によって筋肉のパフォーマンスがどのように変化するかについての基本的な調査には、多くの場合、等尺性 (つまり、それぞれ一定の筋肉の長さまたは関節角度) 収縮中の力またはトルク生成の評価のみが含まれます。しかし、1930年代のA.V.ヒルの先駆的な研究以来、筋肉のパフォーマンスに関する実験は、力、速度、およびそれらの積であるパワー2,3,4,5,6,7,8の関係を評価する動的条件を組み込むように徐々に拡大してきました.短縮速度が速くなると、力を生成するアクチン-ミオシンクロスブリッジを形成する確率が低下し、力-速度曲線1,2の逆双曲線形状が作成されます。したがって、パワーは筋肉の動的性能を全体的に表現し、最大パワー9 を達成する際の最大下の力と最大下の速度の間のトレードオフを示します。特にヒトに関する研究は、全身ダイナモメトリー (HUMAC や Biodex など) を使用するように進み、等速性10 (一定角速度) または等張性11、12、13、14、15、16 を使用したトルク - 速度 - 出力関係の評価が可能になりました(定荷重)運動。これら2つの運動タイプのうち、等張収縮は、実験室の外で発生する運動の一定負荷条件とよりよく一致し、関与する筋肉に負荷を動かすことに課題を課しますが、等速性収縮は、ダイナモメーターの力変換レバーアームが固定の角速度でしか動かないため、より不自然です12,16,17、18.

過去 20 年間で、げっ歯類の筋肉のパフォーマンスを評価するための小型ダイナモメーター システムも大幅に進歩しました 19,20,21,22,23,24。げっ歯類モデルは、2型糖尿病25、肥満26、癌悪液質27、サルコペニア19,28、痙性脳性麻痺29,30、デュシェンヌ型筋ジストロフィー31、デスミノパシー32など、筋肉に悪影響を与える疾患の前臨床調査にほぼ無限の可能性をもたらしますなど。生きた動物を使用した筋肉パフォーマンスの繰り返しの縦断的測定は、麻酔下で末梢神経または経皮的筋肉電気刺激を採用することにより可能になりました33,34。残念ながら、これらの収縮は電気的に誘発する必要があるため、トルク-速度-出力関係を構築するための等張収縮(より微妙なアプローチが必要)よりも等速性収縮の単純化と制御された性質に助長されてきました。さらに、末梢神経カフの移植や針電極による直接の筋肉刺激は侵襲的な処置であり、手術または皮膚からの留置電極の慎重な挿入が必要なため、繰り返し使用すると、同じ動物での繰り返しのテストセッション間で結果を混乱させる可能性のある悪影響や不一致のリスクが生じます。

ここでは、力変換器/長さコントローラーシステム上で経皮的(すなわち、皮膚の外側)筋肉刺激の一貫した低侵襲手順を使用して、ラットの in vivo トルク-角速度-出力関係を評価するための新しいセットアップが提示されます。さらに、この研究では、この技術から構築された等張トルク-速度-出力曲線と等速性トルク-速度-出力曲線の比較を提供し、両方の手順のニュアンスに基づいた技術的/方法論的推奨事項を提供します。

プロトコル

すべてのプロトコルは、グエルフ大学の動物ケア委員会 (AUP #4905) によって承認され、カナダ動物ケア評議会のガイドラインに従っていました。

注: 材料表 に記載されている材料は、電極ホルダーのセットアップの構築、力変換器/長さコントローラーシステム内でのラットの配置、およびトルク、位置、および角速度データの収集に必要です。

1. 動物

  1. 10匹の雌のSprague Dawleyラット(年齢:11週、体重:228±21g)を入手します。
  2. ラットを 2 つまたは 3 匹のグループに分けて 23 °C で飼育し、テクラッドのグローバル 18% タンパク質げっ歯類の餌と室温の水を自由に利用できるようにします。

2. 特注電極ホルダー

  1. 主に市販の建築部品から経皮刺激用のカスタムメイドの電極ホルダーを構築し、その構築説明書は 補足ファイル1に記載されています。
  2. 補足ファイル1に添付されたSTLファイルを使用して、電極ホルダーピースをカスタム設計し、3Dプリントします。
    注:この電極ホルダーピースには、1-1 / 2インチのスチール亜鉛メッキされた滑らかな仕上げ釘を保持するための穴が含まれています。これらの穴の釘の位置は、テスト対象の個々のラットのサイズ/位置に基づいて調整することを目的としています。これらの釘にはんだ付けされた陰極線と陽極線が、高出力の二相刺激装置に接続して足底屈筋に経皮的刺激を与えます。

3. 初期 の in vivo 機械試験のセットアップ

  1. in vivoシステムの電源を入れる
    1. ヒートポンプの電源を入れ、37°Cに設定します。
    2. コンピュータの電源を入れます。DMCv5.5 ソフトウェアを開きます。
    3. 刺激装置ボックスで、大きな オン電源スイッチ と小さいオン 出力スイッチをフリックします。
    4. デュアルモードレバーシステムの 電源スイッチをオン にします。
    5. ソフトウェアで [プロトコル] をクリックします。足首の角度 90° (つまり、ソフトウェアのデフォルトのニュートラル角) で 500 ミリ秒の 100 Hz 収縮 (パルス幅 0.1 ミリ秒) を提供するプロトコルをロードします。
      注:プロトコルを設計する方法の手順は、本研究の範囲を超えており、特定のシステムの操作マニュアルでアクセスできます。
    6. オフ セット力を 350 mN×m(このシステムで記録できる最大トルク、ラットがその値28、35、36、37、38を超える可能性は低い)に設定し、プロトコルを ロード します。
    7. システムのスイッチをフリックして 実行します。 フットペダル( 図 1 のラベル)が所定の位置にロックされていることを確認します。
  2. ネズミの準備
    1. 該当する研究機関39 の標準的な操作手順を使用して、イソフルランを介してラットを麻酔する(例えば、ここでは、グエルフ大学のげっ歯類麻酔トレーニングからのガイドラインが使用され、イソフルランは4%に設定され、酸素流量は2.5 L / minに設定され、イソフルランは1.5〜2%に、酸素流量は1.5 L / minに下げて維持された)。ラットを口/鼻をマウスコーンに入れて、加熱されたプラットフォームに置きます(図1)。標準操作手順39 を参照して、ラットの呼吸と脈拍数を全体的に監視して、一貫した安全な麻酔深度を確保します。
    2. 目の乾燥を防ぐために、目に軟膏を目に塗ります。
    3. 電気カミソリを使用して左足の髪を完全に剃ります。
    4. 市販の脱毛クリームを綿棒(綿棒など)を使って脚全体に塗ります。3分待ってから、必要な数の綿棒でクリームをこすり落とします。できるだけ足をむき出しにすることを目指してください。
      注: 電気刺激を与えようとすると、髪の毛が電極、導電性ゲル、および皮膚の間の接触を妨げるため、この手順が必要です。
    5. 綿球を蒸留水で濡らし、脚を拭いて脚を完全にきれいにします。
    6. ペーパータオルで足を乾かします。
  3. ネズミの位置決め
    1. 足とフットペダルにサージカルテープを巻き付けて、足を所定の位置に固定します。できるだけタイトにする必要があります。特に、かかとがフットペダルの下部にあるスロットに固定されていることを確認してください。調整ノブ3( 図1のラベル)を使用して、必要に応じてフットペダルを近づけたり遠ざけたりして、膝が伸びていることを確認します。
    2. 注: ここでは膝を完全に伸ばすのは難しいので、膝が完全に伸びていなくても心配する必要はありません。
    3. クランプをセットアップし、脛骨の近位中央部に押し込み、下肢を所定の位置に固定します(視覚的な説明については 、図1を参照)。調整ノブ1と2( 図1のラベル)を使用して、フットペダルをクランプと一直線になるように配置します。
  4. 電極の配置
    1. ピンセットを使用して、両方の電極とラットの脚の後部に導電性ゲルを広げます。
    2. 図1に示すように電極を配置し、電極と脚の間にゲルがあることを確認します。遠位電極は腓腹筋のすぐ遠位にあり、近位電極は腓腹筋の近位端にあり、そこで膝関節と出会います。下腿の後側にある腓腹筋の「膨らみ」を触診して、これらの場所を見つけます。
    3. ギア( 図1にラベル付け)を回して電極を所定の位置に持ち上げ、刺激中に一貫した接触を確保します。強く押し上げすぎると、フットペダルに不要な受動的トルクがかかります。電極を保持する車軸( 図1にラベル付け)をわずかに曲げるだけで、刺激中に電極が所定の位置に留まるようにすることができます。
  5. 自動保存の有効化
    1. DMCv5.5 ソフトウェアに戻ります。上部の [設定] をクリックし、[ フォルダーの自動保存] をクリックします。
    2. データ ファイルの保存先として選択したフォルダーに移動し、[ 現在のフォルダー] をクリックします。
    3. ベース名(ラットの識別コードなど)を[ ベース自動保存 ]ボックスに入力し、[ 自動保存を有効にする]をクリックします。これで、すべてのデータファイルが、その自動保存ベース名で選択したフォルダーに保存されます。実行するプロトコルに応じて、ベース名に追加することを忘れないでください(たとえば、足首の角度を70°で100Hz収縮する場合は「C1Black-70deg」、ファイル名としては、選択した自動保存フォルダに「C1Black-70deg.ddf」として表示されます)。

4. 100Hz刺激の電流最適化

  1. 100°プロトコルで90Hzは、ステップ3.1.5からすでにロードされています。 刺激装置を20mAに設定します。これは非常に低レベルの刺激であり、筋肉疲労をあまり誘発することなく、電極/ゲルの配置を調整する必要があるかどうかを研究者に知らせます (たとえば、トルク トレースが不均一に見える場合、または脚がクランプから滑り落ちる場合) 28,35,36,37,38。
  2. [ テストの開始 ] をクリックしてプロトコルを実行します。筋肉の収縮が見えるはずです。プロトコルが実行されたら、[ 分析 ] をクリックして生成されたトルクの量を確認し、[ ベースライン補正 ] ボックスがクリックされていることを確認します。
  3. 2分間休憩した後、30mAに増やし、プロトコルを再度実行します。[ 分析 ] をクリックして、生成されたトルクの量を確認し、[ ベースライン] 補正 ボックスがクリックされていることを確認します (このボックスにより、受動トルクが総トルクから差し引かれて、アクティブ トルクの測定値が得られます)。
    注:このベースライン補正ツールの使用は、足首が90°のこのセットアップでのみ機能します。他のすべての角度では、ステップ 5.1 で説明した方法を使用してアクティブ トルクを計算する必要があります。ここでは、若い健康なラットでは2分間の休息が推奨されますが、老化または疾患モデルでは、この休息時間はより長い(例えば、3〜5分)必要がある場合があります。
  4. 上記の手順を40mAで繰り返します。トルクが30mAと比較して減少している場合は、30mAが最適な刺激です。40 mA トルクが大きかった場合は、50 mA に増やし、2 分間休憩した後に再度刺激します。トルクが下がった場合、40 mA が最適な刺激電流でした。
  5. 最適な刺激が見つかるまで(つまり、刺激電流をさらに増加させた後、トルク生成の増加が見られなくなるまで)、このプロセスを繰り返します。通常、最適な刺激電流は40mAまたは50mAです。

5. トルク-速度-出力関係の等張収縮

  1. 70°の足首の角度(つまり、このレバーシステムが行く最も背屈した角度)で500ミリ秒の100Hzの等尺性収縮を誘発するプロトコルを作成します(プロトコルファイルは 補足ファイル2で入手できます)。このプロトコル を実行します 。この収縮中に生成される最大アクティブトルク(つまり、総トルクから刺激前のベースライン受動トルクを差し引いたもの)を記録します。この値を使用して、等張プロトコルの荷重クランプを決定します。
  2. プロトコル画面で、足首を背屈位置に移動し、ニュートラル位置に戻る前に500ミリ秒刺激するプロトコルを作成します(図2;補足ファイル2に記載されている.dpfプロトコルファイル)。
  3. ステップ5.1で記録した70°での最大有効トルクの10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%に対応する等張荷重を計算します。ベースラインの受動トルクもロードクランプに追加してください( 図2の例を参照)。これらの荷重クランプは、以下で説明する手順を使用してランダムな順序で実行します。
  4. DMCv5.5 ソフトウェアの [ オフセット力 ] ボックス (現在はステップ 3.1.6 から 350 に設定されています) に、実行する最初の荷重クランプに対応する計算されたトルク値 (つまり、上記のステップ 5.3 で計算された値のうち) を入力します。次に、手順5.2で作成したアイソトニックプロトコルをロードすると、この新しいオフセットフォースが適用されます。この最大以下のオフセット力を設定することで、足底屈筋によって生成されるトルクがこの値に達すると短縮が発生し、この値に固定されたままになります(図2)。
  5. [ テストの開始 ] をクリックしてプロトコルを実行します。等張収縮が起こります。
  6. 8回の等張収縮(10〜80%)がすべて実行されるまで、各等張負荷クランプの間に2分間休憩しながら、上記の2つのステップを繰り返します。

6. トルク-速度-パワー関係の等速性収縮

  1. オフ セット力が まだない場合は、350 mN×m に設定します。
  2. 50、100、200、300、400、600、800、および1000°/sの短縮速度に対応する8つの等速性短縮プロトコルを作成します(プロトコルファイル は補足ファイル2で入手可能)。これらのプロトコルでは、最初に足首を受動的に70°(つまり、このシステムで利用可能な最も背屈角度)に動かし、次に短縮の開始時に100Hzの刺激が発生するように設定し、足首が120°(つまり、このシステムで利用可能な最も底屈角度)に移動しながら継続します(図3)。刺激が終了したら、足首をシステムのデフォルトのニュートラル角度である90°に戻すように設定します。
  3. これらの各等速性テストをランダムな順序で実行し、各テストの間に 2 分間の休憩を挟みます。

7. 等張性および等速性試験ファイルの分析

  1. 等張試験分析
    1. 等張試験は一定の荷重を使用するため、短縮中の角速度を記録します。これらのテストから角速度を解析するには、データファイルを開きます。等張短縮が発生したタイミングを表す位置トレースの部分を 拡大します 。[ 筋肉解析]をクリックします。
    2. 短縮中の平均勾配を計算するには、[ 位置] 列を見て、計算を実行します:平均角速度=(最小位置 - 最大位置)/合計時間。「最小位置」は、最も背屈した角度、つまり開始関節位置を表すことに注意してください。
  2. 等速性試験分析
    1. 等速性試験は等速を使用するため、短縮中に発生するトルクを記録します。
      注:本研究では、これらのプロトコルからトルクを記録する2つの異なる方法、つまり短縮中の平均トルクと短縮中のピークトルクを紹介しています。それぞれの長所と短所は、代表的な結果に示されています。
    2. データファイルを開きます。平均トルクを記録するには、短縮段階でトルクトレースを 拡大 します。クリックして 、筋肉解析ウィンドウ を開きます。トルク列に指定された値から、平均トルクを次のように記録します。平均トルク=積分/合計時間。
    3. 同じ [筋解析] ウィンドウから、[ 最大トルク ]ボックスに示されている値としてピークトルクを記録します。

8. トルクと角速度データの曲線フィッティング

  1. スプレッドシートで、各ラットの等張データと等速性データ用に個別のシートを作成します。各シートで、データを力と速度の 2 つの列に整理します。これらのデータには、速度 0°/s に対応する 70° での最大トルクを含めます。各シートに[ラット名]とラベルを付け、その後に[ISOT]または[ISOK]が続き、それぞれ等張性または等速性データに対応します(例えば、「C1BLACK ISOT」または「C1BLACK AVG ISOK」、C1BLACKはラットの名前です。
    注: これらの命名規則は、次のステップで使用する Python コードに必要です。これらの特定の命名規則は、このスプレッドシート ファイルでのみ必要です。
  2. 補足ファイル 3 のリンクに従って、補足ファイル 3 に記載されている追加のコード関連の手順を使用して、カスタム Python コードを実行します。コードが実行されると、研究者に、ステップ8.1で作成された各ラットの等張および等速性データの個々のシートを含むスプレッドシートを選択するよう促すウィンドウが表示されます。ステップ8.1と図4の説明に基づいて正しく編成された場合、このコードは、各データセットの適合トルク-速度-電力曲線を示すウィンドウを表示します(図4の例)。このコードでは、すべてのデータは次の式1 に当てはめられます。
    figure-protocol-1
    Fmax は70°での最大100Hzの等尺性トルクであり、 F と V はそれぞれ等張荷重クランプのトルクと角速度を表し、 a と b はそれぞれトルク(N•m)と速度(°/s)の単位でヒルの熱力学的定数を表します。
    注:コードが力と速度のデータの各セットを選択した後、フィットした曲線ごとに、次のデータを含む新しいExcelファイルが生成されます:最大短縮速度(Vmax)、Fmax、aおよびb係数、トルク-速度曲線の曲率(a / Fmax)、ピークパワー、ピークパワーに対応するトルク値、 ピークパワーに対応する角速度値と、収集されたデータが方程式にどの程度適合するかを表すR2値です(図4)。

9. 等張性および等速性トルク-速度-出力プロファイルの比較

  1. テスト順序に関連するバイアスのリスクを排除するために、1) アイソトニック テストを最初に実行し、アイソキネティック テストを最初に実行することを交互に行います。2)等張(10、20、30、40、50、60、70、および80%最大トルクの負荷クランプ)および等速性(50、100、200、300、400、600、800、および1000°/sの角速度)収縮の各セット内の収縮順序をランダム化します。等速性角速度の範囲は、 in vivo ラット足底屈筋23に関する以前の研究に従って選択します。
  2. 二元配置反復測定分散分析を使用して、ここで採用した 3 つの方法から生成されたトルク-速度-出力曲線の類似点と相違点を評価します (等張性、短縮中の平均トルクを伴う等速性、および短縮中のピークトルクを伴う等速性) 次の変数について: Vmax、 a および b 係数、 曲 率、ピーク電力、ピーク電力でのトルク、ピーク電力での角速度、 とR2。すべてのペアワイズ比較にボンフェローニ補正を適用します。アルファレベルをα = 0.05に設定します。

結果

図5A は、生データポイントから生成されたトルクと速度の関係を示し、 図5B は、平均Fmax と a および b 係数を使用して、トルクと速度を乗算してパワーを計算したトルク-パワー曲線とともに、ヒルの式1 に適合したこれらのデータをプロットします。すべての方法(等張、平均トルクを使用した等速性、ピークトルクを使用した等速性)は、トルクと速度の関係の予想される形状を示しており、トルクの増加とともに角短縮速度が双曲線的に減少し、その逆も同様であり、トルクと速度の両方の最大レベル以下のレベルでピークパワーが生成されます。

図6は、トルクと角速度のデータを曲線フィッティングして得られたデータを示しています。等張テストから得られた曲線は、両方の等速性曲線よりも大きな Vmax を予測します (両方と比較して P = 0.002;図6A)。また、等速曲線は、平均トルクを使用した等速性曲線よりも大きなピークパワーをもたらしました(P = 0.006)、この不一致は、代わりに等速性テストのピークトルクを使用することで克服され、等速性曲線のピークパワーと変わらないピークパワーが得られました(P = 1.00)(図6B)。等速性曲線のピークトルクを使用したピークパワーのこの増加は、同じVmax(P = 1.00)を維持しているにもかかわらず、平均トルク(P < 0.001)と比較してトルク-速度曲線の曲率を減らすことによって数学的に達成されました(図6A)。等速性試験のピークトルクを使用したことによるこの曲率の減少も、等張曲線と比較してピークパワーでのトルクの過大評価をもたらしました(P < 0.001)、平均トルクを使用した等速性曲線は、等張曲線からのピークパワーでのトルクとよりよく一致しました(P = 1.00)(図6C)。そうは言っても、平均トルクを使用した等速性曲線は、等張曲線と比較してピーク電力での速度を過小評価していました(P < 0.001)(図6D)。等速性曲線にピークトルクを使用すると、ピークパワーでの速度が等張曲線の速度に近づきましたが、それでもわずかに過小評価されました(P = 0.043)(図6D)。最後に、すべてのデータセットがヒル方程式(すべてR2 > 0.98)に強く適合しましたが、等張曲線は他の2つよりもわずかに弱い適合でした(P = 0.015-0.029)。まとめると、これらの発見は、トルク-速度-パワーの関係を評価する際に、現実世界の動きによりよく似た定負荷動的収縮が、より一般的に使用される等速動的収縮と比較して異なる結果をもたらすことを示しています。

すべての個人データは、次の場所で公開されています https://doi.org/10.6084/m9.figshare.29099018.v2

figure-results-1
図1:足底屈筋の機械的機能のin vivo 試験のためにラットがどのようにセットアップされているかの描写。 ラットは、イソフルラン麻酔薬の下で加熱されたプラットフォーム上に配置されます。かかとを固定した状態で足をフットペダルにしっかりとテープで固定し、クランプを脛骨に押し込んで下腿を所定の位置に固定します。調整ノブ1、2、および3は、膝を伸ばした位置での脚の最適な位置決めと、フットペダルの軸との解剖学的アライメントを支援します。導電性ゲルは、足底屈筋群の近位部と遠位部に広がります。電極ホルダーは、経皮刺激のために電極を所定の位置に固定します。カスタム電極保持装置のギアは、足底屈筋を覆う皮膚に電極を押し上げました。 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。

figure-results-2
図2:70°の足首角度で100Hzの等尺性刺激の生のトルク、位置、および刺激トレースの例を、ピークトルクの10%から80%に設定した負荷で等張収縮のピークトルクを決定するために使用しました。30% 等張収縮の等張負荷を計算して設定する例が含まれています。荷重クランプ(「オフセット力」)を設定する場合、計算された荷重はピーク100 Hzのアクティブトルク(つまり、総トルクからベースラインの受動トルクを差し引いたもの)のパーセントを表しますが、システムは全トルクとアクティブトルクを区別できないため、ベースラインのパッシブトルクが再び加算されます。 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。

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図3:等速性収縮の生トルクと位置トレースの例で、そこから短縮中にピークトルクと平均トルクが測定されました。 提示されたテストは、50、100、200、300、400、600、800、および1000°/sの速度で行われます(位置トレースパネルに示されています)。「刺激」読み出しの縦破線は、電気刺激の開始と終了を示します(実際の刺激は、データ読み出しのこれらの写真では見えません)。 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。

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図4:トルク(ここでは「力」とラベル付けされています)と速度データの曲線フィッティングに必要なステップの説明。 トルクと速度のデータの個々のセットを[ラット名] [ISOKまたはISOT](ISOT =等張性、ISOK =等速性)とラベル付けされた独自のシートに配置した後、コードが実行されます。Excel ファイルを選択するよう求めるウィンドウが表示されます。ラベル付きシートがすべて含まれているファイルを選択すると、各曲線が一度に 1 つずつ表示され、入力されたデータに誤りがないことを確認するために目視検査を行うことができます。各曲線は、最大短縮速度(Vmax)、測定データから入力される最大トルク値(Fmax)、曲線の a 係数と b 係数、トルク-速度曲線の曲率(a / Fmax)、ピークパワー、ピークパワーに対応するトルク値(「Opt Force」)、ピークパワーに対応する角速度値(「Opt Vel」)、 収集されたデータが方程式にどの程度適合するかを表す R2 値。各曲線をクリックすると、クリックしたばかりの各曲線の曲線フィッティングから生成されたすべてのデータを含むExcelファイルが自動的に生成されます。閉じる前に、このファイルを必ず保存してください。 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。

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図5:トルク-角速度-パワー曲線。 (A)等張試験(緑)、短縮時の平均トルクを用いた等速性試験(青)、短縮時のピークトルクを用いた等速性試験(オレンジ)の生データから構築したトルク角速度曲線。(B)これらのデータをヒルの方程式1 に当てはめて生成された平均曲線と、トルクと角速度を掛け合わせて作成されたトルク-パワー曲線。パネル A のデータは、標準偏差±平均として表示されます。 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。

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図6:トルクと角速度のデータを曲線フィッティングして得られたデータ。 等張試験(ISOT)、平均トルクを用いた等速性試験(ISOT)、平均トルクを用いた等速性試験(ISOK PEAK)で生成した曲線を、(A)Vmax、(B)ピークパワー、(C)ピークパワートルク、(D)ピークパワー速度、(E)a係数、(F)b係数、(G)曲率、(H)R2 を比較します。 *有意差(P < 0.05)。データは平均値±標準偏差として表示されます。 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。

補足ファイル1:電極ホルダーの組み立て説明書と3Dプリントファイル(https://doi.org/10.6084/m9.figshare.28574951.v1)

補足ファイル 2: Aurora Scientific の 3-in-1 システム (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.29099018.v2) 用の .dpf プロトコル ファイル

補足ファイル3:トルク角速度データ(https://github.com/ahinks192/Torque-Velocity-Curve)の曲線フィッティングのためのPythonコード

ディスカッション

本研究は、経皮的電気刺激を使用したラット足底屈筋の機械的機能の in vivo 試験のための新しいセットアップを紹介します。具体的には、本研究は、等速性収縮よりも実験室の外で発生する一定負荷の速度依存的な動きの条件によりよく一致する等張収縮を使用してトルク-角速度-出力の関係を評価する方法を示しています。それにもかかわらず、等速性トルク-角速度-出力関係からの測定値を、等張収縮の結果を模倣するために最適化する方法も提示されます。この実験セットアップの反復可能な性質により、関節レベルの動的性能のこれらの評価は、げっ歯類モデルにおける年齢、病気、固定化、およびさまざまな運動介入が筋肉の収縮機能にどのように影響するかについての理解を大幅に向上させる可能性があります。実際、このセットアップは、若いラットと老齢のラットの間で、およびギプスとトレーニング介入の前後の足底屈筋の機械的機能を比較するために以前に使用されてきました35、36、37、38、28。

等速性プロトコルよりも等張プロトコルを採用することの重要な利点は、等張プロトコルを特定のラットにより個別化できることです。アイソトニックプロトコルは、最大トルク生産能力の決定から始まり、次にロードクランプをその特定の値に正規化します(つまり、アイソトニック曲線は図5Aのトルク軸と速度軸の両方に変動します)。等速性プロトコルでは、Vmaxを事前に決定できないため、最大以下の角速度の範囲を最大速度値に正規化することはできず、代わりに標準化された角速度の範囲を使用します(つまり、等速性曲線はトルク軸にのみ変動があります)。この標準化された範囲は、本質的に速度生産能力が遅いラット(例えば、老化16,40)では、テストがトルク角速度曲線のより狭い範囲しか捉えず、標準化された速度の一部がVmaxに近づいたり、それを超えたりする可能性があるため、問題になる可能性があります。したがって、等張収縮により、トルク角速度曲線の完全な表現をキャプチャし、あらゆる健康状態の任意の時点で発電を確実に行うことができます。言い換えれば、Thompson18 が最近指摘したように、等速性試験では速度がすべての参加者に制約されるため、ピーク トルクと出力測定を区別しませんが、等張性試験では、負荷を特定の参加者の最大トルク能力に個別化し、トルクと速度のトレードオフをより適切に捉えることで、トルクと出力の測定を分離します。

等張収縮のより良い個別化の能力は、等張収縮から構築されたトルク-速度-出力関係が、いずれかの等速性法よりも高いVmax をもたらした理由を説明する可能性があります(図6A)。したがって、研究の主な目的が Vmax の変化を評価することである場合 (たとえば、トレーニング介入前とトレーニング介入後と比較した場合)、等速性収縮はこの値を過小評価する可能性があるため、等張収縮を使用する必要があります。ただし、代わりに研究がピークパワーの変化を解明することに関心がある場合、等速性収縮から得られるパワー値は、等速性短縮中のピークトルク(平均トルクとは対照的)を記録することにより、等張収縮に類似する可能性があります(図6B)。

ピーク電力でのトルクとピーク電力での速度の測定は、トルクまたは速度の生成が動的性能のどちらに依存しているかを評価するのにも役立ちます。たとえば、ある疾患がピーク出力に変化を示さないが、ピーク出力でのトルクの増加とピーク出力での速度の低下を示す場合、この疾患は速度に不釣り合いな影響を及ぼし、トルク生成は出力を維持するために補償します。等張収縮から得られる値と類似した等速性収縮からピーク出力でのトルクとピーク出力での速度の値を取得しようとする場合は、本研究で示されている両方の等速性方法を採用する必要があります。ピークパワーでのトルクの場合、等速性収縮からの平均トルクの記録は、等張トルクと速度の関係から得られた平均トルクとほぼ一致します(図6C)。逆に、ピークパワーでの速度については、等速性収縮からのピークトルクの記録は、等張トルクと速度の関係から得られたものとより密接に一致しますが、それでも15%過小評価されています(図6D)。最近の解説18 は、筋肉の機能的能力を包括的に記述することを目的とするならば、等張性試験と等速性試験の両方を記録することが望ましいかもしれないと指摘し、ピークパワーの評価には等張性試験が推奨され、筋肉短縮中のピークトルク生成の評価に必要な等速性試験が推奨される。

本研究で紹介された実験セットアップには、げっ歯類の in vivo 機械的性能を評価する従来の方法 (留置電極、末梢神経カフなど) と比較して、ラボのワークフローを改善する利点もあります。カスタム電極ホルダーにより、電極の高さを素早く調整したり、電極間の距離を調整したりできます(赤い電極ホルダーピースの穴を介して。図1)個々のラットの脚の長さに合うように。これらの機能により、別々のテストセッション間で同じラットの電極の配置/位置を一致させることも容易になり、縦断的なトレーニング研究に特に役立ちます。実際、このセットアップでの典型的なレジスタンストレーニングセッション(8〜10回の繰り返しの4セット)は、ラットあたり~15分、または連続テストで~2.5時間で10匹のラットの速度で完了しています35,36,37。さらに、ここでは焦点ではありませんが、現在の研究グループは、マウス足底屈筋のin vivo機械的機能をテストするためのより小さな電極ホルダーピースも開発しました41。

このセットアップには方法論的な利点があるにもかかわらず、注意すべきいくつかの制限があります。ここでは、使用した力変換システムの限界であるため、70°から110°の足首の可動域を使用し、以前の実験35、36、37、38、28で知らされたように、トルク生成を最適化するためにより伸びた脚の位置を使用しました-ただし、このセットアップでは、これらの位置を変更することができます(たとえば、膝を曲げた位置、 異なる足首の可動域、異なる活性化設定)を特定の研究者の実験ニーズに合わせて調整します。また、残念ながらこれらの制御された単関節実験では実装できない関節角度間の移行中に負荷の変化が発生する可能性があるため、このセットアップは、移動中の in vivo 筋肉機能に特徴的な動的で可変長の挙動を完全には捉えていないことにも注意する必要があります。最後に、本プロトコルでは、ヒルの方程式を使用して、双曲線を想定したトルクと角速度のデータを適合させました。この曲線形状は、ピークパワー(力と速度の最大以下のレベルで発生する)を決定するのに信頼できるが、力と速度の関係2,42のしばしば観察される二重双曲線形状のために、V最大値を過大評価する可能性があります。したがって、研究者の目的が主にここで提示された実験セットアップを使用してVmaxを評価することである場合、これらのデータをより複雑な二重双曲線にも当てはめることが推奨される可能性があります2,42。

ここで示した等張性および等速性トルク-角速度-出力関係はすべて、ヒルの方程式に強い(R2 > 0.98)適合しました(図6H)。ただし、等速性トルク-角速度-出力関係に関する上記の制限を考慮すると、特にピークパワーの評価を目的としている場合は、可能であれば等張テストを使用することをお勧めします。代わりに等速性テストを使用する必要がある場合は、この記事の調査結果をガイドとして使用して、制限を理解し、定負荷収縮への翻訳可能性を最大化できます。

開示事項

クリストファー・ランドとマシュー・ボルコウスキーは、オーロラ・サイエンティフィック社に勤務しています。

謝辞

ラットの世話に協力してくれた人間の健康と栄養科学の動物ケアスタッフに感謝します。このプロジェクトは、カナダ自然科学工学研究評議会 (NSERC) の助成金番号 RGPIN-2024-03782 と、オーロラ サイエンティフィック社との NSERC アライアンス助成金 (ALLRP 603969-25) の支援を受けました。

材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
1-1/2インチ鋼の亜鉛メッキ滑らか仕上げ釘とnbsp;ヒルマン・グループ・カナダULC、ピッカリング、オンタリオ州、カナダhttps://shop.hillmangroup.ca/ccrz__ProductDetails?sku=461146&cclcl=en_USカスタムメイドの電極ホルダー用(補足図1に組み立て説明書が記載)
ネズミ用の装置オーロラ・サイエンティフィック社(カナダ、オンタリオ州オーロラ)806D 
Tinkercad(オープンソースソフトウェア)で設計され、3Dプリントされたカスタム電極保持アタッチメントAutodesk Tinkercad www.tinkercad.comカスタムメイドの電極ホルダー用(補足図1に組み立て説明書が記載)
高出力、二相刺激器オーロラ・サイエンティフィック社(カナダ、オンタリオ州オーロラ)701C
レゴのパーツBrickLink.comすべてのLEGO®の BrickLink.com コードについては補足図S1を参照してください。パーツカスタムメイドの電極ホルダー用(補足図1に組み立て説明書が記載)
スペクトラ360電極ゲルスペクトルhttps://www.orthocanada.com/en/spectra-electrode-gel?utm_term=&utm_campaign=Canada+EN+-+Search+-+OrthoCanada&utm_source=adwords&utm_medium=ppc&hsa_acc=1971735470&hsa_cam=136169080&hsa_grp=139530010212&hsa_ad=586754644289&hsa_src=g&hsa_tgt=dsa-19959388920&hsa_kw=&hsa_mt=&hsa_net=adwords&hsa_ver=3&gad_source=1&gad_campaignid=136169080&gbraid=0AAAAAD1V26BmzV4eR9tkH_8Truu4W7uu6&gclid=Cj0KCQjwnJfEBhCzARIsAIMtfKLpFSpoPZdXDBtyR8sRgHYCfYuELZFPs4g8U6r8t4_chBuz5KF0pBIaAoQ3EALw_wcB
Systane 夜間潤滑眼軟膏システインhttps://www.amazon.ca/dp/B004RSQGWC?ref=nb_sb_ss_w_as-reorder_k0_1_12&=&crid=38CVEZ82H7F4&=&sprefix=eye+ointment
スプラグ・ドーリーのメス10匹チャールズリバー研究所(カナダ、ケベック州セネビル)系統コード:001
トランスポア手術用テープ3M(カナダ、オンタリオ州ミルトン)1527
Veet ピュア脱毛クリームヴェートhttps://www.walmart.ca/en/ip/Veet-Pure-Hair-Removal-Cream-Legs-Body-Sensitive-Skin-400-mL/10032637
給湯器/循環器オーロラ・サイエンティフィック社(カナダ、オンタリオ州オーロラ)827A 

参考文献

  1. Hill, A. V., Sec, R. S. The heat of shortening and the dynamic constants of muscle. Proc R Soc Lond B Biol Sci. 126 (843), 136-195 (1938).
  2. Alcazar, J., Csapo, R., Ara, I., Alegre, L. M. On the shape of the force-velocity relationship in skeletal muscles: the linear, the hyperbolic, and the double-hyperbolic. Front Physiol. 10, 769(2019).
  3. Araújo, C. G. S., et al. Muscle power versus strength as a predictor of mortality in middle-aged and older men and women. Mayo Clin Proc. 100 (8), 1319-1331 (2025).
  4. Farris, D. J., Sawicki, G. S. Human medial gastrocnemius force-velocity behavior shifts with locomotion speed and gait. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (3), 977-982 (2012).
  5. Clemente, C. J., Richards, C. Muscle function and hydrodynamics limit power and speed in swimming frogs. Nat Commun. 4, 2737(2013).
  6. Yeo, S. H., Monroy, J. A., Lappin, A. K., Nishikawa, K. C., Pai, D. K. Phenomenological models of the dynamics of muscle during isotonic shortening. J Biomech. 46 (14), 2419-2425 (2013).
  7. Lappin, A. K., Monroy, J. A., Pilarski, J. Q., Zepnewski, E. D., Pierotti, D. J., Nishikawa, K. C. Storage and recovery of elastic potential energy powers ballistic prey capture in toads. J Exp Biol. 209 (13), 2535-2553 (2006).
  8. Charles, J. P., Kissane, R. W. P., Askew, G. N. The impacts of muscle-specific force-velocity properties on predictions of mouse muscle function during locomotion. Front Bioeng Biotechnol. 12, 1436004(2024).
  9. Jinha, A., Herzog, W. Muscle power: a simple concept causing much confusion. J Sport Health Sci. 14, 101005(2025).
  10. Andersen, L. L., et al. Changes in the human muscle force-velocity relationship in response to resistance training and subsequent detraining. J Appl Physiol. 99 (1), 87-94 (2005).
  11. Hinks, A., et al. Power loss is attenuated following a second bout of high intensity eccentric contractions due to the repeated bout effect’s protection of rate of torque and velocity development. Appl Physiol Nutr Metab. 46 (5), 461-472 (2020).
  12. Dalton, B. H., Power, G. A., Paturel, J. R., Rice, C. L. Older men are more fatigable than young when matched for maximal power and knee extension angular velocity is unconstrained. Age. 37 (3), 49(2015).
  13. Power, G. A., Dalton, B. H., Rice, C. L., Vandervoort, A. A. Delayed recovery of velocity-dependent power loss following eccentric actions of the ankle dorsiflexors. J Appl Physiol. 109 (3), 669-676 (2010).
  14. Dalton, B. H., Allen, M. D., Power, G. A., Vandervoort, A. A., Rice, C. L. The effect of knee joint angle on plantar flexor power in young and old men. Exp Gerontol. 52, 70-76 (2014).
  15. Power, G. A., Dalton, B. H., Rice, C. L., Vandervoort, A. A. Peak power is reduced following lengthening contractions despite a maintenance of shortening velocity. Appl Physiol Nutr Metab. 38 (12), 1196-1205 (2013).
  16. McNeil, C. J., Rice, C. L. Fatigability is increased with age during velocity-dependent contractions of the dorsiflexors. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 62 (6), 624-629 (2007).
  17. Knight, K. L., Ingersoll, C. D., Bartholomew, J. Isotonic contractions might be more effective than isokinetic contractions in developing muscle strength. J Sport Rehabil. 10 (2), 124-131 (2001).
  18. Thompson, B. J. It’s time to re-evaluate the reporting of common measures from isokinetic dynamometers: isokinetic for torque, isotonic for power. Front Sports Act Living. 7, 1472712(2025).
  19. Leeuwenburgh, C., Gurley, C. M., Strotman, B. A., Dupont-Versteegden, E. E. Age-related differences in apoptosis with disuse atrophy in soleus muscle. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 288 (5), R1288-R1296 (2005).
  20. Padilla, C. J., et al. Profiling age-related muscle weakness and wasting: neuromuscular junction transmission as a driver of age-related physical decline. Geroscience. 43 (3), 1265-1281 (2021).
  21. Fuqua, J. D., et al. Impaired proteostatic mechanisms other than decreased protein synthesis limit old skeletal muscle recovery after disuse atrophy. J Cachexia Sarcopenia Muscle. 14 (5), 2076-2089 (2023).
  22. Ochi, E., Nakazato, K., Ishii, N. Effects of eccentric exercise on joint stiffness and muscle connectin (titin) isoform in the rat hindlimb. J Physiol Sci. 57 (1), 1-6 (2007).
  23. Warren, G. L., Stallone, J. L., Allen, M. R., Bloomfield, S. A. Functional recovery of the plantarflexor muscle group after hindlimb unloading in the rat. Eur J Appl Physiol. 93 (1-2), 130-138 (2004).
  24. Herzog, W., Leonard, T. R. Force enhancement following stretching of skeletal muscle: a new mechanism. J Exp Biol. 205 (Pt 9), 1275-1283 (2002).
  25. Lewis, M. T., Kasper, J. D., Bazil, J. N., Frisbee, J. C., Wiseman, R. W. Skeletal muscle energetics are compromised only during high-intensity contractions in the Goto-Kakizaki rat model of type 2 diabetes. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 317 (2), R356-R368 (2019).
  26. Hill, C., James, R., Cox, V., Tallis, J. Does dietary-induced obesity in old age impair the contractile performance of isolated mouse soleus, extensor digitorum longus and diaphragm skeletal muscles. Nutrients. 11 (3), 505(2019).
  27. Yuan, L., et al. The atypical β-blocker S-oxprenolol reduces cachexia and improves survival in a rat cancer cachexia model. J Cachexia Sarcopenia Muscle. 14 (1), 653-660 (2023).
  28. Hinks, A., Power, G. A. Age-related differences in the loss and recovery of serial sarcomere number following disuse atrophy in rats. Skeletal Muscle. 14 (1), 18(2024).
  29. Hulst, J. B., Minamoto, V. B., Lim, M. B., Bremner, S. N., Ward, S. R., Lieber, R. L. Systematic test of neurotoxin dose and volume on muscle function in a rat model. Muscle Nerve. 49 (5), 709-715 (2014).
  30. Wang, X., et al. Human neural stem cells transplanted during the sequelae phase alleviate motor deficits in a rat model of cerebral palsy. Cytotherapy. 26 (12), 1491-1504 (2024).
  31. Baltgalvis, K. A., Call, J. A., Cochrane, G. D., Laker, R. C., Yan, Z., Lowe, D. A. Exercise training improves plantar flexor muscle function in mdx mice. Med Sci Sports Exerc. 44 (9), 1671-1679 (2012).
  32. Sam, M., Shah, S., Fridén, J., Milner, D. J., Capetanaki, Y., Lieber, R. L. Desmin knockout muscles generate lower stress and are less vulnerable to injury compared with wild-type muscles. Am J Physiol Cell Physiol. 279 (4), C1116-C1122 (2000).
  33. Mintz, E. L., Passipieri, J. A., Lovell, D. Y., Christ, G. J. Applications of in vivo functional testing of the rat tibialis anterior for evaluating tissue engineered skeletal muscle repair. J Vis Exp. (116), e54487(2016).
  34. Song, H., Nakazato, K., Nakajima, H. Effect of increased excursion of the ankle on the severity of acute eccentric contraction-induced strain injury in the gastrocnemius: an in vivo rat study. Am J Sports Med. 32 (5), 1263-1269 (2004).
  35. Hinks, A., Patterson, M. A., Njai, B. S., Power, G. A. Age-related blunting of serial sarcomerogenesis and mechanical adaptations following 4 weeks of maximal eccentric resistance training. J Appl Physiol. 136 (5), 1209-1225 (2024).
  36. Hinks, A. A., Vlemmix, E., Power, G. A. Submaximal eccentric resistance training increases serial sarcomere number and improves dynamic muscle performance in old rats. Physiol Rep. 12 (19), e70036(2024).
  37. Hinks, A., Vlemmix, E., Power, G. A. Submaximal eccentric training during immobilization does not prevent serial sarcomere loss or impairments in mechanical function in old or young rats. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 80 (7), glaf082(2025).
  38. Vlemmix, E., Hinks, A., Power, G. A. Serial sarcomerogenesis does not contribute to the initial repeated bout effect in skeletal muscle. J Biomech. 187, 112767(2025).
  39. Oh, S. S., Narver, H. L. Mouse and rat anesthesia and analgesia. Curr Protoc. 4 (2), e995(2024).
  40. Paris, M. T., McNeil, C. J., Power, G. A., Rice, C. L., Dalton, B. H. Age-related performance fatigability: a comprehensive review of dynamic tasks. J Appl Physiol. 133 (4), 850-866 (2022).
  41. Hinks, A., et al. Time course changes in in vivo muscle mechanical function and Ca2+ regulation of force following experimentally induced gradual ovarian failure in mice. Exp Physiol. 109 (5), 711-728 (2024).
  42. Edman, K. A. Double-hyperbolic force-velocity relation in frog muscle fibres. J Physiol. 404 (1), 301-321 (1988).

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