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방법 논문

쥐 내측 위트로테미즘 근육의 단일 모터 단위의 기능적 격리

5.3K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/61614

⸱

2020년 12월 26일

 , 
1Department of Neurobiology, Poznań University of Physical Education, 2Department of Biochemistry, Poznań University of Physical Education

* These authors contributed equally

이 논문에서

요약

이 방법은 쥐 내측 위트로테미에미근 근육의 3가지 유형의 모터 단위로 트위치 및 파탄 수축 및 작용 잠재력을 기록할 수 있게 한다. 단일 모터 장치의 기능적 절연은 축축의 전기 자극에 의해 유도된다.

초록

이 작품은 실험적인 쥐에서 힌다리 근육(내측 위트로네미에, 솔레우스 또는 발바닥 근육과 같은)에서 모터 유닛의 특성을 결정하는 표준 전기 생리학적 방법인 모터 유닛(MUs)의 기능적 절연을 간략하게 설명합니다. 이 방법의 중요한 요소는 복부 뿌리에서 분리된 모터 축록소에 전달된 전기 자극의 적용입니다. 자극은 일정한 또는 가변 간 펄스 간격으로 전달될 수 있다. 이 방법은 성숙의 다양한 단계에서 동물에 대한 실험에 적합합니다 (젊은, 성인 또는 노인). 더욱이, 이 프로토콜은 많은 스펙트럼의 내정간섭에 의해 연상되는 모터 단위의 가변성 그리고 가소성을 연구하는 실험에서 이용될 수 있습니다. 이러한 실험의 결과 근육 생리학에 기본 지식을 증강 하 고 실용적인 응용 프로그램으로 번역 될 수 있습니다. 이 절차는 결과의 준비 안정성 및 재현성을 달성하기 위해 필요한 단계에 중점을 두고, MUs의 기록 및 자극을위한 수술 준비에 초점을 맞추고 있습니다.

서론

모터 유닛(MUs)은 골격 근육의 가장 작은 기능 성 단위입니다. 따라서, 그들의 기능 이해, 가소성 및 수축 속성, 뿐만 아니라 그들의 힘 조절의 메커니즘, 근육 생리학에 진행에 대 한 중요 한. MUs의 기본 수축 속성과 생리 적 유형의 비율은 수많은 근육에 대 한 문서화 되었습니다., 주로 실험 동물에 뒷다리 근육. 그러나 MU 특성의 가소성과 MU 힘 규제 메커니즘은 여전히 완전히 이해되지 않습니다.

상기 기법의 원리는 얇은 복부 뿌리를 제조하기 위해 요추 척추에서 조사된 하나 및 라미네절을 제외한 뒷다리 근육의 광범위한 기질이며, 각각 하나의 "기능적" 모터 축축이를 함유하고, MU의 힘과 작용 잠재력을 기록하기 위해 전기적으로 자극된다. 본 논문에 기재된 기술을 이용하여, 성공적인 실험에서 내측 위트로테미즘 근육의 MUs의 절반 이상을 분리할 수 있다. 쥐 내측 위질혈은 S(느린), FR(빠른 내성) 및 FF(빠른 지방)1,2의3가지 생리적 유형의 평균 52개의 MUs(여성) 또는 57개의 무스(남성)로 구성되며, 가변 수축 특성3을갖는다. 제어 및 실험 그룹에서 M의 평균 값을 비교하는 실험의 경우 이러한 각 그룹에 대해 10-30 개의 MUs를 격리하고 기록하는 것이 필요합니다. 비판적으로, 개별 MUs는 1 시간을 초과하는 기간 동안 자극에 접근할 수 있습니다. 더욱이,이 기술은 MU 힘과 행동 잠재력을 모두 기록 할 수 있기 때문에,이 방법은 힘 생산과 관련된 현상을 연구피로의 효과를 평가하고, 힘과 행동 잠재력 사이의 관계를 관찰하는 데 적합합니다.

이전 연구는 MU 수축 특성이 플라스틱이며 수많은 개입에 의해 변조 될 수 있음을 확인했습니다. 여기에 기재된 기술을 이용한 실험은 쥐 내측 위트로뉴미에 4 또는 래트 의 다른 뒷다리 근육에 수행되어5,6뿐만 아니라 고양이 근육7에서,단일 MU 절연의 유사한 방법을 이용하여 수행되었다. 가변 간 펄스 간격으로 전달되는 자극의 열차를 이용한 또 다른 일련의 실험은 모터 제어 공정에 관한 관찰을 제공했으며, 그 결과는 일반적으로 한 자극의 시간 척도의 변화의 상당한 효과를 포함하여 자극의 역사에 주의를 돌리며, 힘 생산8,9에결정적인 영향을 미칩니다.

또한 다른 방법을 사용하여 연구될 수 있습니다. 첫째, 하나의 방법은 모토 뉴런의 직접 자극이다. 버크는 이러한 뉴런1,10의전기 생리학적 특성을 결정하기 위해 병렬로 사용되는 유리 미세 전극을 사용하여 고양이 내측 위트로뉴미와 솔레루스에서 모토뉴런의 세포내 자극을 사용했다. 다른 방법은 상당히 낮은 개입을 필요로 인간의 근육에 있는 MUs를 공부하기 위하여 제안되었습니다. 이러한 모든 방법에 대해 자극 및 기록 전극이 근육이나 신경에 삽입되고 손가락이나 발에서 힘이 기록됩니다. 이러한 방법의 첫 번째는 첫 번째 등간 중내 근육에 있는 MUs를 공부하기 위하여 이용되었습니다. 이 근육의 경우, 저력으로 수축하고, 근육에 삽입된 바늘 전극으로 기록된 전극에서 단 하나의 활성 모터 유닛의 작용 전위가 확인되었다. 그런 다음 병렬로 기록된 근육력의 파편과 각 동작 잠재력에 따라 평균화되었습니다(스파이크 트리거 평균). 이 방법은 근육력기록(11)으로부터하나의 모터 유닛의 힘을 추출할 수 있게 한다. 그러나 이 절차의 방법론적 약점은 단일 트위치 힘이 아니라 파탄 수축의 파편을 평균화했다는 것입니다. 인간 구는 또한근육(12)에삽입된 전극을 이용하여 근육 내 전기 미세 자극의 제2 방법을 사용하여 연구될 수 있으며, 이는 축산나무의 단편을 자극하여 단일 모터 유닛의 활성화로 이어진다. 세 번째 방법은 신경에 삽입된 전극을 이용한 미세 자극이다. 전극이 신경에서 하나의 모터 축축만 활성화하면 하나의 모터 유닛만13을계약합니다. 이러한 마지막 방법은 기록의 안정성과 품질, 윤리적 제한 및 실험 재료에 대한 액세스를 포함하여 몇 가지 제한이 있습니다. 이 프로토콜은 70 대와 80 의14에서 고양이에 광범위하게 사용되었습니다.

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프로토콜

모든 절차는 지역 윤리위원회의 승인을 받아야 하며 동물 보호에 관한 유럽 연합(EU) 지침과 동물 보호에 관한 국가법률을 준수해야 합니다.

참고: 이 절차에 관여하는 각 실험자는 기본적인 외과 적 수술로 훈련을 받아야하며 동물 실험을 수행하기위한 유효한 라이센스를 받아야합니다.

1. 마취

  1. 나트륨 pentobarbital의 관면 주사로 쥐를 마취 (60mg·kg-1의초기 복용량).
  2. 약 5분 후, 쥐의 귀나 앞다리를 무딘 집게로 꼬집어 마취의 깊이를 확인하십시오. 반사 작용이 관찰되지 않은 경우에만 프로토콜의 다음 단계로 이동합니다.
  3. 수술 중, 동물이 운동핀치에 반응하는 경우 10-15 분마다 반사 작용에 대한 동물을 확인하고 마취를 보충하십시오 (보통 10 mg·kg-1·h-1 나트륨 펜토바르비탈, IP).

2. 수술

  1. 발뒤꿈치에서 엉덩이(첫 번째 세그먼트, 근육 및 신경 절연), 발 뒤꿈치에서 엉덩이(두 번째 세그먼트, 지상 전극) 및 꼬리에서 흉부 세그먼트(세 번째 세그먼트, 라미네토미)까지 의 뒷다리를 왼쪽으로 면도하여 수술 수술을 위해 동물을 준비합니다. 방부제는 실험의 급성 특성 때문에 필요하지 않습니다.
    1. 가열 패드에 쥐를 배치 (37 °C ± 1 °C.)
  2. 라미네절제술
    1. 날카로운 무딘 가위를 사용하여, 흉부 척추까지 천원에서 척추를 따라 피부를 잘라.
    2. 기본 근육에서 피부를 분리합니다.
    3. 무딘 팁 가위를 사용하여, 사골과 요추 가시 과정의 양쪽에 긴 근육을 잘라.
    4. S1 척추를 가장 낮은 세그먼트로 식별합니다. 날카로운 무딘 가위를 사용하여 L6에서 L2 척추까지 가시 공정을 잘라냅니다. 다음으로, 미세 한 rongeurs를 사용 하 여, 횡단 프로세스 L6-L2를 제거 하 고 L6를 통해 laminectomy 수행 – L2 세그먼트 (첫 번째 횡방향 프로세스, 다음 라미나, L6 척추 세그먼트로 시작) 두라 마터에 의해 덮여 척수의 요추 세그먼트를 노출. 동물 고정을 위한 고정 지점으로 사용될 성모 뼈 및 L1 가시 공정을 잘라하지 않도록 주의하십시오.
    5. 날카로운 가위를 사용하여, 라미네절제술의 상부 경계에서 L2 척추 세그먼트 수준에서 척수 (그 caudal 파편)와 등쪽 및 복부 뿌리를 잘라. 말린 젤 폼의 작은 조각을 넣어 출혈을 중지합니다. 다음으로, 노출된 척수 세그먼트 위에 얇고 식염수에 흠뻑 젖은 면모를 놓습니다.
  3. 내측 위트로테미즘 근육과 신경의 격리
    1. 날카로운 무딘 가위를 사용하여 아킬레스 건에서 엉덩이에 왼쪽 뒷다리의 후면에 세로 컷을 합니다.
    2. 집게로 피부를 잡고 절개 양쪽의 기본 근육과 피부를 분리합니다.
    3. 이두근 여성근 근육에 의해 덮여 무릎 관절의 뒷면에 포라이트 포사를 찾습니다. 가위를 사용하여, 이 근육의 전방과 후방 부분 사이 컷을 합니다.
    4. 위쪽으로 이동, 이두근 의 두 머리를 잘라 모든 방법을 엉덩이에 신경을 노출.
    5. 무딘 집게와 가위를 사용하여, 위트론혈증 근육의 내측 머리에서 측면을 분리하고 내측 위로테미칼 근육의 탈면 삽입 (아킬레스 건)을 잘라. 힘 변환기에 연결하는 데 사용하기 위해 가능한 한 오랫동안 아킬레스 건조각을 보존합니다.
    6. 내측 위트로테미에 (MG) 신경을 식별합니다. 집게와 가위를 사용하여, 후방 이두근과 반텐디노스에 담보를 포함하여 좌골 신경의 나머지 모든 담보를 잘라. 공급 혈관을 내측 위트로테미에 그대로 둡니다.
    7. 아킬레스 건을 통해 비탄성 합자를 스레드하고 세 개의 매듭을 만듭니다.
    8. 노출된 신경과 근육 아래에 식염수에 흠뻑 젖은 면모 조각을 놓습니다.
    9. 톱니 모양의 집게를 사용하여 수술 부위에 피부를 닫습니다.
    10. 날카로운 무딘 가위를 사용하여, 금속 클램프 (3.1.6.)로 고정하기 위해 왼쪽 뒷다리의 전방 측면을 따라 피부에 2cm 절개및 기본 결합 조직을 합니다.

3. 녹음 및 자극 준비

  1. 척추 기둥 및 다리 고정 및 근육 배열
    1. 강철 클램프를 사용하여 경골에 클램프를 넣어 왼쪽 뒷다리를 고정합니다.
    2. 쥐를 맞춤형 조절 프레임(절연 구리 와이어, 1mm)에 놓고, 노출된 척수 위에 파라핀 오일(약 50mm x 50mm 크기)의 수영장을 형성하기 위해 4개의 합자를 사용하여 라미네절제술 주위에 피부 플랩을 당기고 피부를 프레임에 봉합합니다.
    3. Dumont #55 집게를 사용하여 척수의 교차로에서 두라 마터를 들어 올리고, 성골 뼈까지 caudally 자르고 철회하십시오.
    4. 무딘 유리 막대를 사용하여, 연속적인 수준에서 왼쪽과 오른쪽 등및 복부 뿌리를 분리하여 손상시키지 않도록 주의하십시오.
    5. 노출된 복부와 등쪽 뿌리를 덮고 따뜻한 (37 °C) 파라핀 오일로 척수 위에 수영장을 채웁니다.
    6. 폐쇄 루프 가열 시스템에 연결된 힌드래드를 위해 마우스를 맞춤형 알루미늄 플레이트(길이 260mm, 너비 120mm, 높이 80mm)에 쥐를 놓습니다(길이 135mm, 너비 100mm, 깊이 45mm). 플레이트는 동물이 움직이지 않게 되고 실험이 수행되는 장소입니다.
    7. 힌디어브를 고정하기 위해 금속 막대로 왼쪽 뒷다리에 놓인 클램프를 고정합니다.
    8. 대자연 뼈와 L1 척추에 강철 클램프를 넣어 척추 컬럼을 고정하여 동물의 신체를 고정하고 호흡기 운동과 관련된 힘 기록의 유물을 제거합니다.
    9. 아킬레스 건을 통해 왼쪽 내측 위트로네미온 근육과 비탄성 합체(50 μm/250 mN, 측정 범위 0-1000 mN 준수)에 비탄성 합체를 연결한다.
    10. 내측 위트렌혈증 근육을 커버하고 온도 프로브 및 자동 시스템을 사용하여 1 °C± 37 °C에서 오일 온도를 유지하기 위해 따뜻한 (37 °C) 파라핀 오일로 뒷다리 챔버를 채웁니다.
  2. 작업 잠재력 기록 및 자극을 위한 전극 배치
    1. 긴 축에 수직인 내측 위트로테미즘 근육의 중간 부분을 통해 양극성 은 와이어 전극을 삽입합니다. 근육의 긴 축을 따라 위치한 두 전극 사이의 약 5mm 거리를 유지합니다. 이러한 전극은 모터 유닛 동작 전위(MUAP)를 기록하는 데 사용됩니다. 저소음 증폭기에 전극을 연결합니다.
    2. 작동된 근육을 100mN의 수동 장력으로 스트레칭하여 힘 트랜스듀서에 의해 제어됩니다. 이 스트레치에서 쥐 내측 위장증의 경우 3가지 유형의 MUs는 가장 높은 트위치력(15)을개발한다.
    3. 날카로운 무딘 가위를 사용하여 오른쪽 뒷다리의 피부에 2cm 절개를 하고 은철 전극을 삽입하여 참조 전극으로 사용합니다.
    4. 노출된 척추 뿌리 위에 맞춤형 절연 금속 판(크기 30mm x 13mm)을 배치하고 고정합니다. 접시에 복부와 등쪽 뿌리 (L4, L5 및 L6)의 왼쪽 쌍을 넣어.
    5. 라미네토미 주위의 피부에 의해 형성된 수영장에 식염수추가. 식염수 수준은 절연 플레이트 아래에 있어야합니다.
    6. 은철선 자극 전극(실버 와이어 2개, 직경 0.5mm, 길이 50mm)을 노출된 척추 뿌리 위에 놓고, 양극을 기름판 위에 3mm 를 놓고, 식염수의 음극(수영장, 플레이트 아래)을 배치하고 자극제에 연결합니다.

4. 모터 유닛 레코딩

  1. 전기 직사각형 펄스(0.1 ms 지속 시간, 최대 0.5V까지 진폭)로 자극하고, 복부 뿌리(L4, L5 및 L6)를 선택합니다. 복부 근 자극은 등뿌리에 그러한 효과가 없는 반면 근육의 수축을 불러일으킵니다. 접시에서 등갈 뿌리를 제거합니다. 내측 위장혈증의 경우 대부분의 축축은 L5 복부 뿌리에 있습니다.
  2. 두몬트 #55 집게와 돋보기 안경을 사용하여 L5 또는 L4 복부 뿌리를 매우 미세한 축축산 번들로 분할합니다(집게와 뿌리 껍질을 모두 가진 복부 뿌리의 절단 끝을 잡아라); 이러한 번들 중 하나를 은 와이어 전극에 놓고 단일 MU의 활성을 달성하기 위해 (0.1 ms 진폭의 직사각형 펄스0.5 V)를 자극한다. 솔리드 서포트(금속 막대)는 축축물의 얇은 번들을 조작하는 데 매우 유용하며, 이는 집게 를 사용하기 위한 손 지지체로 사용될 수 있다. 또한 추가 광원이 필요합니다.
  3. 자극의 강도를 점진적으로 증가시킴으로써 트위치 수축 및 행동 잠재적 자극의 "전부 또는 없음" 특성에 기초하여 단일 MU를 식별합니다. 임계값 주위의 자극에서 호출된 활동을 신중하게 테스트합니다.
    1. 하나 이상의 MU가 연구된 근육에서 수축하고 힘의 수준을 높이고 진폭을 증가시키고 작용 잠재력의 모양을 변경하는 것이 눈에 띄는 경우, 4.2 단계로 돌아가 축축물의 번들을 다시 분할한다. 쥐 내측 위트로네미에 강한 MU는 가장 약한 것보다 약 70 배 더 큰 트위치 힘을 가지고 있으며 매우 강한 MU가 두 번째 를 경련할 때 약한 MU는 분명하지 않을 수 있습니다. 또한 일부 MUs는 전극의 기록 영역에서 근육 섬유를 가지고 있으며 전기 근육에 표시되지 않습니다. 이러한 경우 자극 진폭의 변화는 힘에 영향을 미칠 수 있지만 행동 잠재력은 없을 수 있습니다.
  4. 실험의 목적에 필요한 자극 프로토콜로 모터 유닛을 자극합니다. 모든 기본 모터 단위 수축 및 작업 잠재력 속성을 계산하는 데 필요한 기본 자극 프로토콜의 경우 다음을 포함합니다.
    1. 1Hz에서 5자극을 포함(5개의 단일 트위치가 기록되고 평균화됨; 평균화는 소음을 제거하는 데, 이는 가장 약한 MUs에게 특히 중요합니다).
    2. 10, 20, 30, 40, 50, 60, 75, 100 및 150Hz 주파수에서 500ms의 지속 시간을 가진 일련의 자극을 포함합니다(이러한 기록은 힘 주파수 관계의 계산을 가능하게 하고, 150Hz의 최대 파상력뿐만 아니라 20-40Hz의 처짐)을 포함한다.
    3. 피로 테스트를 포함 (40 Hz 주파수에서 14 자극의 열차에 의해 발생 테타니, 4 분 동안 매 초마다 반복).
    4. 위의 프로토콜의 모든 요소 간에 최소 10s시간 간격을 포함합니다.
    5. 연속절연 모터 유닛으로 프로세스를 반복합니다.
  5. 실험을 종료하고 펜토바르비탈 나트륨 (180mg·kg-1)의치명적인 투여의 인과간 투여를 사용하여 동물을 안락사시한다.

5. 전자 장치

참고: 사용자 지정 컴퓨터 프로그램은 자극기를 제어하여 4.4 단계에 표시된 것을 포함하여 다양한 자극 패턴을 만들 수 있습니다. 이 프로그램은 아날로그-디지털 컨버터(MUAP 및 강제 레코딩을 위해 최소 10kHz)와 협력합니다.

  1. 아날로그-디지털 컨버터로 AC 앰프를 컴퓨터에 연결하고 오실로스코프와 병행합니다.
  2. 아날로그-디지털 컨버터로 그리고 오실로스코프와 병행하여 힘 변환기를 컴퓨터에 연결합니다. 실험 중에 수동 근육력을 제어하기 위해 힘 변환기를 사용합니다. 실험 중에 수동력이 감소할 수 있습니다. 따라서 수동 근육력을 일정하게 유지하기 위해 근육 길이를 늘릴 필요가 있습니다.

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결과

모터 유닛 수축 및 작업 잠재력의 매개 변수는 녹음의 안정적인 조건이 보장될 때 기록에 기초하여 계산될 수 있습니다. 도 1은 빠른 MU의 단일 트위치의 대표 기록을 제시한다. 위쪽 추적은 모터 유닛 작업 잠재력을 보여줍니다. 자극 전달과 모터 단위 작용 잠재력의 발병 사이의 지연은 복부 뿌리에서 근육까지의 전도 시간 때문입니다. 도 2는 빠른 MU의 파상풍력과 모터 유닛 액션 잠재력의 전형적 기록을 나타낸다.

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그림 1: 빠른 MU의 단일 트위치의 대표 기록. 힘 트랙에는 모터 유닛 동작 잠재력이 있습니다.

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토론

숙련된 과학자들에 의해 올바르게 수행되는 경우, 설명된 프로토콜의 수술 구성 요소는 약 2시간 이내에 완료되어야 합니다. 하나는 수술 중 동물의 안정적인 생리 조건을 유지하기 위해 특별한주의를 기울여야한다, 특히 체온과 마취의 깊이, 이는 체계적으로 피나 및 철수 반사 신경을 평가하여 제어되어야한다. 수술 후, 적어도 6 시간 동안 안정적인 기록 조건을 유지할 수 있어야합니다.

중요한 실험 절차는 연구된 근육에 단 하나 모터 축하의 격리로 이끌어 내는 아주 얇은 필라멘트로 복부 뿌리의 분할로 시작됩니다. 사실, 복부 뿌리의 얇은 필라멘트는 뒷다리의 다른 근육을 내면으로 하는 축축의 그룹을 포함합니다. 그러나, 연구된 근육을 제외한 모든 근육은 기재되기 때문에, 축축기의 자극번들이 연구된 내측 위트로네미에 하나의 축록산만 을 함유할 때 이 연구된 근육에서만 단일 MU 수축을 연상시킬 수 있다. 단일 MU 수축으로 발생 된 활성의 성공적인 식별에 따라, 3 가지 생리 적 유형 중 하...

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공개 사항

저자는 공개할 이해상충이 없습니다.

감사의 글

이 작품은 폴란드 국립 연구 센터 보조금 2018/31/B/NZ7/01028에 의해 지원되었습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
포스 트랜스듀서맞춤형
집게Fine Science ToolsNo. 11255-20Dumont #55, 초경량 및 미세한 생크
집게Fine Science ToolsNo. 11150-10Extra Fine Greafe 집
게 집게Fine Science ToolsNo. 11026-15뛰어난 그립을 위한 특수 컵 패턴
집게 FineScience 도구번호 11023-10슬림 1x2 이빨
집게Fine Science ToolsNo. 11251-20Dumont #5
지혈Fine Science ToolsNo. 13003-10Hartman
Isolation UnitGrass InstrumentsS1U5A
Low Noise BioampliferWorld Precision Instruments주문 코드 74030
바늘 홀더Fine 과학 도구No. 12503-15텅스텐 카바이드 죠
RongeursFine Science ToolsNo. 16021-14Friedman-Pearson
가위Fine Science ToolsNo. 14101-14큰 손가락 고리가 있는 직선 날카롭고 뭉툭한
가위Fine Science ToolsNo. 14075-11곡선형 무딘/뭉툭
가위Fine Science ToolsNo. 14084-08여분의 미세 bonn
가위미세 과학 도구번호 15000-00스트레이트, 신경 절단에 이상적
자극기잔디 악기S88이중 출력 사각 펄스 자극기
한

참고문헌

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