Dit artikel beschrijft de methodologie voor het nabootsen van in vivo spierkrachtproductie tijdens ex vivo werklusexperimenten met behulp van een "avatar"-spier van een laboratoriumknaagdier om de bijdragen van spanningstransienten en activering aan het spierkrachtrespons te beoordelen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
"Avatar", een gewijzigd Ex vivo werklusexperiment met In vivo spanning en activering
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Bewegingsgedrag is het resultaat van dynamische systemen die voortkomen uit spierkrachtproductie en arbeidsoutput. De interactie tussen neurale en mechanische systemen vindt gelijktijdig plaats op alle niveaus van biologische organisatie, van het afstemmen van beenspiereigenschappen tijdens het rennen tot de dynamiek van de ledematen die in wisselwerking staan met de grond. Het begrijpen van de omstandigheden waaronder dieren hun neurale controlestrategieën verschuiven naar intrinsieke spiermechanica ('preflexen') in de controlehiërarchie, zou spiermodellen in staat stellen in vivo spierkracht en werk nauwkeuriger te voorspellen. Om in vivo spiermechanica te begrijpen, is ex vivo onderzoek naar spierkracht en werk onder dynamisch variërende spanning en belastingsvoorwaarden die vergelijkbaar zijn met in vivo locomotie vereist. In vivo spanningstrajecten vertonen typisch abrupte veranderingen (d.w.z. spanning en snelheidstransienten) die voortkomen uit interacties tussen neurale activering, musculoskeletale kinematica en door het milieu opgelegde belastingen. Het hoofddoel van onze "avatar"-techniek is om te onderzoeken hoe spieren functioneren tijdens abrupte veranderingen in spanningssnelheid en belasting wanneer de bijdrage van intrinsieke mechanische eigenschappen aan spierkrachtproductie het hoogst kan zijn. In de "avatar"-techniek wordt de traditionele work-loop-aanpak gewijzigd door gebruik te maken van gemeten in vivo spanningstrajecten en elektromyografische (EMG) signalen van dieren tijdens dynamische bewegingen om ex vivo spieren door meerdere stretch-shortening cycli te drijven. Deze aanpak is vergelijkbaar met de work-loop-techniek, behalve dat in vivo spanningstrajecten op geschikte wijze worden geschaald en op ex vivo muisspieren die aan een servomotor zijn bevestigd, worden opgelegd. Deze techniek stelt iemand in staat om: (1) in vivo spanning, activering, stapfrequentie en work-loop patronen 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 in gecontroleerde combinaties te variëren om mechanistische hypothese te testen.
Inleiding
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,
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Alle dierstudies zijn goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee aan de Northern Arizona University. Musculus extensor digitorum longus (EDL) spieren van mannelijke en vrouwelijke wild-type muizen (stram B6C3Fe a/a-Ttnmdm/J), met een leeftijd van 60-280 dagen, werden gebruikt voor de huidige studie. De dieren zijn verkregen van een commerciële leverancier (zie Tabel met Materialen) en gehuisvest in een kolonie aan de Northern Arizona University.
1. Selectie van het in vivo stammotraject en voorbereiding voor gebruik tijdens ex vivo werkloop-experimenten
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Het doel van de "avatar"-experimenten is om te repliceren in vivo krachtproductie en arbeidsextractie zo dicht mogelijk tijdens ex vivo work-loop-experimenten. In deze studie is gekozen om de EDL van de muis te gebruiken als "avatar" voor de MG van de rat, omdat zowel de EDL van de muis als de MG van de rat hoofdzakelijk uit snelstroomspieren bestaan.20,21Beide spieren zijn primaire bewegers van het enkelgewricht (EDL enkelstrekker, MG enkelbuig.......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Terwijl organismen naadloos door landschappen bewegen, variëren de onderliggende belastingen en spanningen die de spieren ervaren drastisch1,6,23. Tijdens zowel in vivo locomotorische bewegingen1,24 als in "avatar" experimenten, worden spieren subm maximaal gestimuleerd onder cyclische, niet-stationaire omstandigheden. De isometrische kracht-lengte en isotone kr.......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Alle auteurs erkennen dat er geen belangenconflict bestaat.
Dankbetuigingen
We danken Dr. Nicolai Konow voor het verstrekken van de gegevens die in dit onderzoek zijn gebruikt. Gefinancierd door NSF IOS-2016049 en NSF DBI-2021832.
....Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Braided Non-Absorbable Silk Suture 4-0 | Mersilk | 734H | |
| Calcium Chloride Dihydrate (CaCl2) | Sigma-Aldrich | 1086436 | Krebs-Henseleit oplossing |
| Dextrose | Sigma-Aldrich | D9434 | Krebs-Henseleit oplossing |
| HEPES | Sigma-Aldrich | PHR1428 | Krebs-Henseleit oplossing |
| Hydrochloric Acid (HCl) | Sigma-Aldrich | 1.37055 | Krebs-Henseleit oplossing |
| LabView Data Collection | Lab-View | ||
| Magnesium Sulfate (MgSO4) | Sigma-Aldrich | M7506 | Krebs-Henseleit oplossing |
| Potassium Chloride (KCl) | Sigma-Aldrich | P3911 | Krebs-Henseleit oplossing |
| Potassium Phosphate Monobasic (KH2PO4) | Sigma-Aldrich | 5.43841 | Krebs-Henseleit oplossing |
| S88 Stimulator | Grass | M643H05 | Beschikbaar voor aankoop op Ebay |
| Series 300B Lever System | Aurora | 1200A | inclusief watermantel weefselbad |
| Sodium Bicarbonate (NaHCO3) | Sigma-Aldrich | S5761 | Krebs-Henseleit oplossing |
| Sodium Chloride (NaCl) | Sigma-Aldrich | S9888 | Krebs-Henseleit oplossing |
| Sodium Hydroxide (NaOH) | Sigma-Aldrich | S5881 | Krebs-Henseleit oplossing |
| Wild Type Muizen | Jackson Laboratory | B6C3Fe a/a Ttn mdm/J |
Referenties
- 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
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
