$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Bewegende dieren bereiken indrukwekkende atletische prestaties op het gebied van uithoudingsvermogen, snelheid en behendigheid in complexe omgevingen. Dierlijke voortbeweging is bijzonder indrukwekkend in vergelijking met door de mens ontworpen machines: de stabiliteit en behendigheid van huidige gelede robots, prothesen en exoskeletten blijven slecht in vergelijking met dieren. Gelede voortbeweging in natuurlijk terrein vereist nauwkeurige controle en snelle aanpassingen om de snelheid te veranderen en omgevingskenmerken te manoeuvreren die als onverwachte verstoringen fungeren1,2,3,4. Toch is het begrijpen van niet-steady voortbeweging inherent uitdagend omdat de dynamiek afhankelijk is van complexe interacties tussen de fysieke omgeving, musculoskeletale mechanica en sensorimoteure controle1,2. Gelede voortbeweging vereist het reageren op onverwachte verstoringen met snelle multi-modale verwerking van sensorische informatie en gecoördineerde activering van ledematen en gewrichten1,5. Uiteindelijk wordt beweging mogelijk gemaakt door spieren die kracht produceren via intrinsieke mechanische eigenschappen van het musculoskeletale systeem en neurale controle1,5,6,7. Een uitstekende vraag in de neuromechanica is hoe deze factoren interageren om gecoördineerde beweging te produceren als reactie op onverwachte verstoringen. De volgende techniek maakt gebruik van de intrinsieke mechanische respons van spieren op vervorming door gebruik van in vivo spanningstrajectorieën tijdens bestuurbare ex vivo experimenten met een 'avatar' spier.
De spierwerklustechniek heeft een belangrijk kader geboden voor het begrijpen van intrinsieke spiermechanica tijdens cyclische bewegingen8,9,10. De traditionele werklustechniek drijft spieren aan door vooraf gedefinieerde, typisch sinusoïdale, spanningstrajecten met behulp van frequenties en activeringspatronen die zijn gemeten tijdens in vivo experimenten2,8,9,11. Het gebruik van sinusoïdale lengtetrajecten kan realistisch werk en vermogensoutput schatten tijdens vlucht12 en zwemmen2 onder omstandigheden waarin dieren geen snelle veranderingen in spanningstrajecten ondergaan als gevolg van interactie met de omgeving en musculoskeletale kinematica. Echter, in vivo spierspanningstrajectorieën tijdens gelede voortbeweging ontstaan dynamisch uit interacties tussen neurale activering, musculoskeletale kinematica en belastingen die door de omgeving worden toegepast5,7,13,14. Er is een realistischere werklustechniek nodig om belastingen, spanningstrajecten en krachtproductie na te bootsen die overeenkomt met in vivo spier-peesdynamiek en inzicht te bieden in hoe intrinsieke spiermechanica en neurale controle interageren om gecoördineerde beweging te produceren in het gezicht van verstoringen.
Hier presenteren we een nieuwe manier om in vivo spierkrachten na te bootsen tijdens loopbandlocomotie door gebruik te maken van een 'avatar' spier van een laboratoriumknaagdier tijdens gecontroleerde ex vivo experimenten met in vivo spanningstrajectorieën die tijdsafhankelijke in vivo belastingen vertegenwoordigen. Het gebruik van de gemeten in vivo spanningstrajectorieën van een doelspier op spieren van een laboratoriumdier tijdens gecontroleerde ex vivo experimenten zal de belastingen nabootsen die tijdens de voortbeweging worden ervaren. In de hier beschreven experimenten wordt de ex vivo muis extensor digitorum longus (EDL) spier gebruikt als een 'avatar' voor de in vivo rat mediale gastrocnemius (MG) spier tijdens lopen, trotteren en galopperen op een loopband13. Deze aanpak is vergelijkbaar met de werklustechniek, behalve dat in vivo spanningstrajectorieën op gepaste wijze worden geschaald en worden opgelegd aan ex vivo muisspieren die aan een servomotor zijn bevestigd. Hoewel muis EDL spieren in grootte, vezeltype en architectuur verschillen van de rat MG, is het mogelijk om deze verschillen te controleren. De 'avatar' techniek stelt iemand in staat om: (1) in vivo spanning, activering, stappenfrequentie en werkluspatronen na te bootsen; (2) deze patronen te variëren om de in vivo krachtreacties het nauwkeurigst te matchen; en (3) specifieke kenmerken van spanning en/of activering te variëren in gecontroleerde combinaties om hypothesen over mechanismen te testen.