Name: Avatar, zmodyfikowane eksperymenty w pętli roboczej ex vivo z wykorzystaniem szczepu in vivo i aktywacji (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-08-18T12:20:00.000+00:00
Duration: 7 min 3 s
Description: Poznaj technikę sinusoidalnych pętli roboczych do badania funkcji mięśniowej in vivo przy użyciu modelu awatar na mięśniach gryzoni. Metoda ta pozwala zrozumieć mechanikę mięśni podczas dynamicznych ruchów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dziękujemy dr Nicolai Konow za dostarczenie danych wykorzystanych w tym badaniu. Finansowane przez NSF IOS-2016049 i NSF DBI-2021832.

"Avatar"- Optimized Ex Vivo Work Loop Experiment to Emulate In Vivo Muscle Force

<ol><li>Dickinson, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+Animals+move%3A+an+integrative+view%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">How Animals move: an integrative view.</a> Science. 288 (5463), 100-106 (2000).</li>
<li>Sponberg, S., Abbott, E., Sawicki, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perturbing+the+muscle+work+loop+paradigm+to+unravel+the+neuromechanics+of+unsteady+locomotion%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">Perturbing the muscle work loop paradigm to unravel the neuromechanics of unsteady locomotion.</a> Journal of Experimental Biology. 226 (7), 243561(2023).</li>
<li>Daley, M. A., Biewener, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Running+over+rough+terrain+reveals+limb+control+for+intrinsic+stability%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Running over rough terrain reveals limb control for intrinsic stability.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (42), 15681-15686 (2006).</li>
<li>Daley, M. A., Usherwood, J. R., Felix, G., Biewener, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Running+over+rough+terrain%3A+guinea+fowl+maintain+dynamic+stability+despite+a+large+unexpected+change+in+substrate+height%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">Running over rough terrain: guinea fowl maintain dynamic stability despite a large unexpected change in substrate height.</a> Journal of Experimental Biology. 209 (1), 171-187 (2006).</li>
<li>Daley, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+the+agility+of+running+birds%3A+Sensorimotor+and+mechanical+factors+in+avian+bipedal+locomotion%5BTitle%5D)+AND+%22Integrative+and+Comparative+Biology%22%5BJournal%5D)">Understanding the agility of running birds: Sensorimotor and mechanical factors in avian bipedal locomotion.</a> Integrative and Comparative Biology. 58 (5), 884-893 (2018).</li>
<li>Biewener, A. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBiewener%2C+AA+%22Animal+locomotion%22">Animal locomotion</a>. , Oxford University Press. Oxford New York. (2003).</li>
<li>Robertson, B. D., Sawicki, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unconstrained+muscle-tendon+workloops+indicate+resonance+tuning+as+a+mechanism+for+elastic+limb+behavior+during+terrestrial+locomotion%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">Unconstrained muscle-tendon workloops indicate resonance tuning as a mechanism for elastic limb behavior during terrestrial locomotion.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (43), E5891-E5898 (2015).</li>
<li>Josephson, R. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+power+output+from+striated+muscle+during+cyclic+contraction%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">Mechanical power output from striated muscle during cyclic contraction.</a> The Journal of Experimental Biology. 114, 493-512 (1985).</li>
<li>Ahn, A. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+muscles+function+-+the+work+loop+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">How muscles function - the work loop technique.</a> Journal of Experimental Biology. 215 (7), 1051-1052 (2012).</li>
<li>Sawicki, G. S., Robertson, B. D., Azizi, E., Roberts, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Timing+matters%3A+tuning+the+mechanics+of+a+muscle-tendon+unit+by+adjusting+stimulation+phase+during+cyclic+contractions%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">Timing matters: tuning the mechanics of a muscle-tendon unit by adjusting stimulation phase during cyclic contractions.</a> Journal of Experimental Biology. 218 (19), 3150-3159 (2015).</li>
<li>Libby, T., Chukwueke, C., Sponberg, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((History-dependent+perturbation+response+in+limb+muscle%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">History-dependent perturbation response in limb muscle.</a> Journal of Experimental Biology. 223 (1), (2020).</li>
<li>Askew, G. N., Marsh, R. L., Ellington, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+mechanical+power+output+of+the+flight+muscles+of+blue-breasted+quail+%28+Coturnix+chinensis+%29+during+take-off%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">The mechanical power output of the flight muscles of blue-breasted quail ( Coturnix chinensis ) during take-off.</a> Journal of Experimental Biology. 204 (21), 3601-3619 (2001).</li>
<li>Sponberg, S., Libby, T., Mullens, C. H., Full, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shifts+in+a+single+muscle%27s+control+potential+of+body+dynamics+are+determined+by+mechanical+feedback%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Transactions+of+the+Royal+Society+of+London.+Series+B%2C+Biological+Sciences%22%5BJournal%5D)">Shifts in a single muscle's control potential of body dynamics are determined by mechanical feedback.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 366 (1570), 1606-1620 (2011).</li>
<li>Loeb, G. E., Brown, I. E., Cheng, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+hierarchical+foundation+for+models+of+sensorimotor+control%5BTitle%5D)+AND+%22Experimental+Brain+Research%22%5BJournal%5D)">A hierarchical foundation for models of sensorimotor control.</a> Experimental Brain Research. 126 (1), 1-18 (1999).</li>
<li>Wakeling, J. M., Tijs, C., Konow, N., Biewener, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+muscle+function+using+experimentally+determined+subject-specific+muscle+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Modeling muscle function using experimentally determined subject-specific muscle properties.</a> Journal of Biomechanics. 117, 110242(2021).</li>
<li>The Mathworks. MATLAB:R2021a. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22The+Mathworks%22">The Mathworks</a>. , (2021).</li>
<li>Tenan, M. S., Tweedell, A. J., Haynes, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+statistical+and+standard+algorithms+for+detecting+muscle+onset+with+surface+electromyography%5BTitle%5D)+AND+%22PLOS+ONE%22%5BJournal%5D)">Analysis of statistical and standard algorithms for detecting muscle onset with surface electromyography.</a> PLOS ONE. 12 (5), 0177312(2017).</li>
<li>Roberts, T. J., Gabaldón, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interpreting+muscle+function+from+EMG%3A+lessons+learned+from+direct+measurements+of+muscle+force%5BTitle%5D)+AND+%22Integrative+and+Comparative+Biology%22%5BJournal%5D)">Interpreting muscle function from EMG: lessons learned from direct measurements of muscle force.</a> Integrative and Comparative Biology. 48 (2), 312-320 (2008).</li>
<li>Rice, N., Bemis, C. M., Daley, M. A., Nishikawa, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+muscle+function+during+perturbed+in+vivo+locomotion+using+a+muscle+avatar+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">Understanding muscle function during perturbed in vivo locomotion using a muscle avatar approach.</a> Journal of Experimental Biology. 226 (13), 244721(2023).</li>
<li>Silva Cornachione, A., CaçãoOliveiraBenedini-Elias, P., Cristina Polizello , P., César Carvalho, L., CláudiaMattiello-Sverzut, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+Fiber+types+in+different+muscles+of+the+hindlimb+in+female+weanling+and+adult+wistar+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Histochemica+Et+Cytochemica%22%5BJournal%5D)">Characterization of Fiber types in different muscles of the hindlimb in female weanling and adult wistar rats.</a> Acta Histochemica Et Cytochemica. 44 (2), 43-50 (2011).</li>
<li>Hämäläinen, N., Pette, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+histochemical+profiles+of+fast+fiber+types+IIB%2C+IID%2C+and+IIA+in+skeletal+muscles+of+mouse%2C+rat%2C+and+rabbit%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Histochemistry+%26+Cytochemistry%22%5BJournal%5D)">The histochemical profiles of fast fiber types IIB, IID, and IIA in skeletal muscles of mouse, rat, and rabbit.</a> Journal of Histochemistry & Cytochemistry. 41 (5), 733-743 (1993).</li>
<li>Charles, J. P., Cappellari, O., Spence, A. J., Hutchinson, J. R., Wells, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Musculoskeletal+geometry%2C+muscle+architecture+and+functional+specialisations+of+the+mouse+hindlimb%5BTitle%5D)+AND+%22PLOS+ONE%22%5BJournal%5D)">Musculoskeletal geometry, muscle architecture and functional specialisations of the mouse hindlimb.</a> PLOS ONE. 11 (4), 0147669(2016).</li>
<li>Nishikawa, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Titin%3A+A+Tunable+spring+in+active+muscle%5BTitle%5D)+AND+%22Physiology+%28Bethesda%2C+Md%29%22%5BJournal%5D)">Titin: A Tunable spring in active muscle.</a> Physiology (Bethesda, Md). 35 (3), 209-217 (2020).</li>
<li>Dick, T. J. M., Biewener, A. A., Wakeling, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+human+gastrocnemius+forces+predicted+by+Hill-type+muscle+models+and+estimated+from+ultrasound+images%29%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">Comparison of human gastrocnemius forces predicted by Hill-type muscle models and estimated from ultrasound images).</a> The Journal of Experimental Biology. 220, 1643-1653 (2017).</li>
<li>Daley, M. A., Biewener, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Leg+muscles+that+mediate+stability%3A+mechanics+and+control+of+two+distal+extensor+muscles+during+obstacle+negotiation+in+the+guinea+fowl%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Transactions+of+the+Royal+Society+B%3A+Biological+Sciences%22%5BJournal%5D)">Leg muscles that mediate stability: mechanics and control of two distal extensor muscles during obstacle negotiation in the guinea fowl.</a> Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 366 (1570), 1580-1591 (2011).</li>
<li>Seth, A., Sherman, M., Reinbolt, J. A., Delp, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((OpenSim%3A+a+musculoskeletal+modeling+and+simulation+framework+for+in+silico+investigations+and+exchange%5BTitle%5D)+AND+%22Procedia+IUTAM%22%5BJournal%5D)">OpenSim: a musculoskeletal modeling and simulation framework for in silico investigations and exchange.</a> Procedia IUTAM. 2, 212-232 (2011).</li>
<li>Sandercock, T. G., Heckman, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Doublet+potentiation+during+eccentric+and+concentric+contractions+of+cat+soleus+muscle%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">Doublet potentiation during eccentric and concentric contractions of cat soleus muscle.</a> Journal of Applied Physiology. 82 (4), Bethesda, Md. 1219-1228 (1997).</li>
<li>Marsh, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+muscles+deal+with+real-world+loads%3A+the+influence+of+length+trajectory+on+muscle+performance%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">How muscles deal with real-world loads: the influence of length trajectory on muscle performance.</a> The Journal of Experimental Biology. 202, 3377-3385 (1999).</li>
<li>Hessel, A. L., Monroy, J. A., Nishikawa, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-cross+bridge+viscoelastic+elements+contribute+to+muscle+force+and+work+during+stretch-shortening+cycles%3A+evidence+from+whole+muscles+and+permeabilized+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Physiology%22%5BJournal%5D)">Non-cross bridge viscoelastic elements contribute to muscle force and work during stretch-shortening cycles: evidence from whole muscles and permeabilized fibers.</a> Frontiers in Physiology. 12, 648019(2021).</li>
<li>Lindstedt, S., Nishikawa, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Huxleys%27+missing+filament%3A+form+and+function+of+titin+in+vertebrate+striated+muscle%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Physiology%22%5BJournal%5D)">Huxleys' missing filament: form and function of titin in vertebrate striated muscle.</a> Annual Review of Physiology. 79, 145-166 (2017).</li>
<li>Abbate, F., De Ruiter, C. J., Offringa, C., Sargeant, A. J., De Haan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+rat+fast+skeletal+muscle+is+more+efficient+at+submaximal+than+at+maximal+activation+levels%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Physiology%22%5BJournal%5D)">In situ rat fast skeletal muscle is more efficient at submaximal than at maximal activation levels.</a> Journal of Applied Physiology. 92 (5), 2089-2096 (2002).</li>
<li>Eng, C. M., Smallwood, L. H., Rainiero, M. P., Lahey, M., Ward, S. R., Lieber, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scaling+of+muscle+architecture+and+fiber+types+in+the+rat+hindlimb%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Experimental+Biology%22%5BJournal%5D)">Scaling of muscle architecture and fiber types in the rat hindlimb.</a> Journal of Experimental Biology. 211 (14), 2336-2345 (2008).</li>
<li>Manuel, M., Chardon, M., Tysseling, V., Heckman, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scaling+of+motor+output%2C+from+mouse+to+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Physiology+%28Bethesda%2C+Md%29%22%5BJournal%5D)">Scaling of motor output, from mouse to humans.</a> Physiology (Bethesda, Md). 34 (1), 5-13 (2019).</li>
<li>Zajac, F. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Muscle+and+tendon%3A+properties%2C+models%2C+scaling%2C+and+application+to+biomechanics+and+motor+control%5BTitle%5D)+AND+%22Critical+Reviews+in+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Muscle and tendon: properties, models, scaling, and application to biomechanics and motor control.</a> Critical Reviews in Biomedical Engineering. 17 (4), 359-411 (1989).</li>
<li>Rice, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+muscle+function+during+in+vivo+locomotion+using+a+novel+muscle+avatar+approach%5BTitle%5D)+AND+%22ProQuest+Dissertations+and+Theses%22%5BJournal%5D)">Understanding muscle function during in vivo locomotion using a novel muscle avatar approach.</a> ProQuest Dissertations and Theses. , https://libproxy.nau.edu/login?url=https://www.proquest.com/dissertationstheses/understanding-muscle-function-during-em-vivo/docview/2444890224/se-2?accountid=12706 (2020).</li>
</ol>

Wszyscy autorzy przyznają, że nie ma konfliktu interesów.

Podczas gdy organizmy płynnie poruszają się po krajobrazach, podstawowe obciążenia i napięcia, których doświadczają mięśnie, różnią się drastycznie 1,6,23. Zarówno w eksperymentach z lokomocją in vivo 1,24, jak i w eksperymentach "awatarowych", mięśnie są stymulowane submaksymalnie w cyklicznych, niestabilnych warunkach. Izometryczne zależności siła-długość i iz...

Poruszające się zwierzęta osiągają imponujące sportowe wyczyny wytrzymałości, szybkości i zwinności w skomplikowanych środowiskach. Lokomocja zwierząt jest szczególnie imponująca w przeciwieństwie do maszyn zaprojektowanych przez ludzi - stabilność i zwinność robotów, protez i egzoszkieletów o obecnych nogach pozostaje słaba w porównaniu ze zwierzętami. Poruszanie się na nogach w naturalnym terenie wymaga precyzyjnej kontroli i szybkich korekt w celu zmiany prędkości i manewrowania cechami otoczenia, które działają jak nieoczekiwane perturbacje1,2,3,4. Jednak zrozumienie niestabilnej lokomocji jest z natury trudne, ponieważ dynamika zależy od złożonych interakcji między środowiskiem fizycznym, mechaniką mięśniowo-szkieletową i kontrolą sensomotoryczną1,2. Poruszanie się na nogach wymaga reagowania na nieoczekiwane zakłócenia za pomocą szybkiego, multimodalnego przetwarzania informacji sensorycznych oraz skoordynowanego uruchamiania kończyn i stawów1,5. Ostatecznie ruch jest możliwy dzięki mięśniom wytwarzającym siłę dzięki wewnętrznym właściwościom mechanicznym układu mięśniowo-szkieletowego, a także dzięki kontroli neuronalnej1,5,6,7. Nierozstrzygniętą kwestią neuromechaniki jest to, w jaki sposób te czynniki oddziałują na siebie, wytwarzając skoordynowany ruch w odpowiedzi na nieoczekiwane zakłócenia. Poniższa technika wykorzystuje wewnętrzną mechaniczną reakcję mięśni na deformację przy użyciu trajektorii odkształceń in vivo podczas kontrolowanych eksperymentów ex vivo z mięśniem "awatara".
Technika pętli pracy mięśni dostarczyła ważnych ram do zrozumienia wewnętrznej mechaniki mięśni podczas cyklicznych ruchów8,9,10. Tradycyjna technika pętli roboczej kieruje mięśniami przez predefiniowane, zazwyczaj sinusoidalne, trajektorie naprężeń przy użyciu częstotliwości i wzorców aktywacji mierzonych podczas eksperymentów in vivo2,8,9,11. Korzystając z trajektorii długości sinusoidalnej, można realistycznie oszacować pracę i moc wyjściową podczas lotu12 i swimming2 w warunkach, w których zwierzęta nie przechodzą gwałtownych zmian trajektorii naprężeń z powodu interakcji ze środowiskiem i kinematyką układu mięśniowo-szkieletowego. Jednak in vivo trajektorie naprężeń mięśni podczas lokomocji nóg powstają dynamicznie w wyniku interakcji między aktywacją neuronalną, kinematyką mięśniowo-szkieletową i obciążeniami wywieranymi przez środowisko5,7,13,14. Potrzebna jest bardziej realistyczna technika pętli roboczej do emulacji obciążeń, trajektorii odkształceń i wytwarzania siły, która odpowiada dynamice mięśni-ścięgno in vivo i zapewnia wgląd w to, jak wewnętrzna mechanika mięśni i kontrola neuronalna współdziałają, aby wytworzyć skoordynowany ruch w obliczu zakłóceń.
Tutaj prezentujemy nowatorski sposób na emulację sił mięśniowych in vivo podczas lokomocji na bieżni za pomocą mięśnia "awatara" od gryzonia laboratoryjnego podczas kontrolowanych eksperymentów ex vivo z trajektoriami szczepów in vivo, które reprezentują zmieniające się w czasie obciążenia in vivo. Wykorzystanie zmierzonych in vivo trajektorii szczepów z mięśnia docelowego na mięśniach zwierzęcia laboratoryjnego podczas kontrolowanych eksperymentów ex vivo pozwoli naśladować obciążenia doświadczane podczas lokomocji. W opisanych tutaj eksperymentach mięsień prostownika długiego myszy ex vivo (EDL) jest używany jako "awatar" dla mięśnia brzuchatego łydki przyśrodkowego (MG) szczura in vivo podczas chodzenia, kłusowania i galopu na bieżni13. Podejście to jest podobne do techniki pętli roboczej, z tą różnicą, że trajektorie odkształceń in vivo są odpowiednio skalowane i nakładane na mięśnie myszy ex vivo przymocowane do serwomotoru. Podczas gdy mięśnie EDL myszy różnią się rozmiarem, rodzajem włókien i architekturą w porównaniu z MG szczura, możliwe jest kontrolowanie tych różnic. Technika "awatara" pozwala na: (1) emulację in vivo napięcia, aktywacji, częstotliwości kroku i wzorców pętli roboczej; (2) zmieniać te wzorce, aby jak najdokładniej dopasować reakcje sił in vivo; oraz (3) różnicować specyficzne cechy szczepu i/lub aktywacji w kontrolowanych kombinacjach w celu przetestowania hipotez mechanistycznych.

<table><tbody><tr><td>Pleciony niewchłanialny jedwabny szew 4-0&nbsp;</td><td>Mersilk&nbsp;</td><td>734H</td><td></td></tr><tr><td>Chlorek wapnia dwuwodny (CaCl2)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>1086436</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; roztwór</td></tr><tr><td>Dekstroza&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D9434</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; rozwiązanie</td></tr><tr><td>HEPES</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>PHR1428</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; roztwór</td></tr><tr><td>Kwas hydorchlorowy (HCl)&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>1.37055</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; rozwiązanie</td></tr><tr><td>Gromadzenie danych LabView&nbsp;</td><td>Lab-View</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Siarczan magnezu (MgSO4)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M7506</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; roztwór</td></tr><tr><td>Chlorek potasu (KCl)&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P3911</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; roztwór</td></tr><tr><td>Fosforan potasu jednozasadowy (KH2PO4)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>5.43841</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; rozwiązanie</td></tr><tr><td>S88 Stymulator</td><td>trawy</td><td>M643H05</td><td>Dostępne do kupienia w serwisie eBay</td></tr><tr><td>System dźwigni serii 300B</td><td>Aurora</td><td>1200A</td><td>zawiera kąpiel tkankową z płaszczem wodnym</td></tr><tr><td>Wodorowęglan sodu (NaHCO3)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5761</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; roztwór</td></tr><tr><td>Chlorek sodu (NaCl)&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S9888</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; roztwór</td></tr><tr><td>Wodorotlenek sodu (NaOH)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td>Krebs-Henseleit&nbsp; rozwiązanie</td></tr><tr><td>Myszy typu dzikiego</td><td>Jackson Laboratory</td><td>B6C3Fe a/a Ttn mdm/J</td><td></td></tr></tbody></table>

"avatar", zmodyfikowane eksperymenty w pętli roboczej ex vivo z wykorzystaniem szczepu in vivo i aktywacji

"Avatar", a Modified Ex vivo Work Loop Experiments Using In vivo Strain and Activation

Zachowania ruchowe to wyłaniające się cechy systemów dynamicznych, które wynikają z produkcji siły mięśniowej i wydajności pracy. Wzajemne oddziaływanie między systemami neuronalnymi i mechanicznymi zachodzi jednocześnie na wszystkich poziomach organizacji biologicznej, od dostrajania właściwości mięśni nóg podczas biegu po dynamikę kończyn wchodzących w interakcję z podłożem. Zrozumienie warunków, w jakich zwierzęta zmieniają swoje strategie kontroli neuronalnej w kierunku wewnętrznej mechaniki mięśni ("prefleksji") w hierarchii kontroli, umożliwiłoby modelom mięśniowym przewidywanie siły mięśniowej in vivo i dokładniejszą pracę. Aby zrozumieć mechanikę mięśni in vivo, konieczne jest zbadanie ex vivo siły mięśni i pracy w dynamicznie zmieniających się warunkach obciążenia i obciążenia podobnych do lokomocji in vivo. Trajektorie odkształceń in vivo zazwyczaj wykazują nagłe zmiany (tj. stany przejściowe odkształcenia i prędkości), które wynikają z interakcji między aktywacją neuronalną, kinematyką układu mięśniowo-szkieletowego i obciążeniami wywieranymi przez środowisko. Głównym celem naszej techniki "awatara" jest zbadanie, jak mięśnie funkcjonują podczas nagłych zmian szybkości odkształcania i obciążenia, kiedy udział wewnętrznych właściwości mechanicznych w produkcji siły mięśniowej może być najwyższy. W technice "awatara" tradycyjne podejście oparte na pętli roboczej jest modyfikowane przy użyciu zmierzonych trajektorii odkształceń in vivo i sygnałów elektromiograficznych (EMG) od zwierząt podczas ruchów dynamicznych, aby napędzać mięśnie ex vivo przez wiele cykli rozciągania i skracania. Podejście to jest podobne do techniki pętli roboczej, z tą różnicą, że trajektorie odkształceń in vivo są odpowiednio skalowane i nakładane na mięśnie myszy ex vivo przymocowane do serwomotoru. Technika ta pozwala na: (1) naśladować szczep in vivo, aktywację, częstotliwość kroku i wzorce pętli roboczej; (2) zmieniać te wzorce, aby jak najdokładniej dopasować reakcje sił in vivo; oraz (3) różnicować specyficzne cechy szczepu i/lub aktywacji w kontrolowanych kombinacjach w celu przetestowania hipotez mechanistycznych.

Celem eksperymentów z użyciem „awatara” jest jak najdokładniejsze odwzorowanie produkcji siły i wykonanej pracy in vivo podczas eksperymentów z pętlą pracy ex vivo . W niniejszym badaniu zdecydowano się wykorzystać mięsień EDL myszy jako „awatar” dla mięśnia MG szczura, ponieważ zarówno mięsień EDL myszy, jak i MG szczura składają się głównie z włókien szybkokurczliwych20,21. Oba mięśnie są głównymi poruszaczami stawu skokowego (EDL jest zginac...

Ten artykuł szczegółowo opisuje metodologię emulacji produkcji siły mięśniowej in vivo podczas eksperymentów w pętli roboczej ex vivo przy użyciu mięśnia "awatara" od gryzonia laboratoryjnego do oceny wpływu stanów przejściowych szczepu i aktywacji na reakcję siły mięśniowej.

"Avatar", zmodyfikowane eksperymenty w pętli roboczej ex vivo z wykorzystaniem szczepu in vivo i aktywacji

Movement behaviors are emergent features of dynamic systems that result from muscle force production and work output. The interplay between neural and ...

Celem mojego laboratorium jest zrozumienie funkcji mięśni in vivo poprzez opracowanie nowych paradygmatów eksperymentalnych dla eksperymentów ex vivo i modeli, które naprawdę odnoszą się do funkcji mięśni in vivo. Eksperymenty i modele, których używaliśmy przez ostatnie 20 lat, stawały się coraz bardziej oczywiste, że tak naprawdę nie mają one związku z funkcjonowaniem mięśni in vivo. Obecnie istnieje luka w wiedzy między podejściami odgórnymi, które mierzą funkcję mięśni in vivo podczas dynamicznych ruchów ludzi i zwierząt, a podejściami oddolnymi, które wykorzystują kontrolowane eksperymenty ex vivo i/lub in situ, które mierzą mechanikę mięśni w warunkach izometrycznych i/lub izotonicznych.Staramy się zaprojektować fizjologicznie istotne eksperymenty ex vivo i in situ, które informują o mechanice mięśni in vivo. Najczęściej stosowaną techniką w naszej dziedzinie jest technika sinusoidalnej pętli pracy opracowana przez Boba Josephsona w połowie lat 80. Technika ta wykorzystuje sinusoidalne lub czasami satu trajektorie odkształceń przy częstotliwościach in vivo z wzorcami stymulacji in vivo w celu naśladowania funkcji mięśni in vivo.Jednak nasza technika Avatara pokazuje, że odchylenia od czysto sinusoidalnych trajektorii naprężeń wynikające z kontaktu stopy podczas lokomocji lądowej są ważnymi determinantami siły i pracy mięśni.

avatar-modified-ex-vivo-work-loop-experiments-using-vivo-strain

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

W niniejszej pracy opracowujemy narzędzia niezbędne do obrazowania żywych komórek ex vivo w celu śledzenia podziałów pojedynczych komórek w neuroepitelium myszy w stadium...

Ex vivo obrazowanie na żywo podziałów pojedynczych komórek w neuroepitelium myszy

Zależne od doświadczenia zmiany molekularne w neuronach są niezbędne dla zdolności mózgu do adaptacji w odpowiedzi na wyzwania behawioralne.  Opisano tutaj metodę obrazowania dwufotonowego in vivo, która umożliwia śledzenie takich zmian molekularnych w poszczególnych neuronach korowych za pomocą genetycznie kodowanych reporterów.

In vivo (in vivo) Dwufotonowe obrazowanie zależnych od doświadczenia zmian molekularnych w neuronach korowych

Ex vivo ERG może być używany do rejestrowania aktywności elektrycznej komórek siatkówki bezpośrednio z izolowanych nienaruszonych siatkówk zwierząt lub ludzi. Pokazujemy tutaj, jak powszechne systemy ERG in vivo można dostosować do zapisów ERG ex vivo w celu zbadania aktywności elektrycznej komórek siatkówki.

Jednoczesne badanie funkcjonalne ex vivo dwóch siatkówk za pomocą systemu elektroretinogramu in vivo

Celem tego protokołu jest pokazanie, jak monitorować dynamikę białek znakowanych fluorescencyjnie na powierzchni komórek roślinnych za pomocą mikroskopii epifluorescencyjnej o zmiennym kącie, pokazując kropki PATROL1 oznaczonej GFP, białka transportującego błonę, w korze komórkowej kompleksu szparkowego u Arabidopsis thaliana.

Obrazowanie w czasie rzeczywistym dynamiki powierzchni komórek roślinnych za pomocą mikroskopii epifluorescencyjnej o zmiennym kącie

Wielkoskalowa mikroskopia elektronowa 2D (EM), czyli nanotomia, to ogólnotkankowe zastosowanie nanoskalowej rozdzielczości EM. W tym miejscu opisujemy uniwersalną metodę nanotomii stosowaną do badania mózgu larw danio pręgowanego w zdrowiu i po nieinwazyjnym uszkodzeniu mózgu.

Wielkoskalowa skaningowa transmisyjna mikroskopia elektronowa (nanotomia) mózgu zdrowego i uszkodzonego danio pręgowanego

Ta metoda umożliwia połączenie optogenetyki i genetycznie kodowanych czujników wapnia do obrazowania wyjściowego poziomu cytozolowego wapnia i zmian w wywołanych przejściowych stanach wapnia w mięśniach ściany ciała organizmu modelowego C. elegans.

Obrazowanie wapnia in vivo w mięśniach ściany ciała C. elegans

Przedstawiamy protokół do badania rozkładu mitochondriów i retikulum endoplazmatycznego w całych komórkach po modyfikacji genetycznej za pomocą korelacyjnej mikroskopii elektronowej światła i objętości, w tym barwienia peroksydazą askorbinianową 2 i peroksydazy chrzanowej, seryjnego cięcia komórek z i bez genu docelowego w tej samej sekcji oraz seryjnego obrazowania za pomocą mikroskopii elektronowej.

Obrazowanie mitochondriów i retikulum endoplazmatycznego za pomocą korelacyjnej mikroskopii świetlnej i objętościowej

Modyfikacja istniejących urządzeń do tworzenia wieloelektrodowych układów lub krosówek sprawia, że elektroretinogram ex vivo jest szerzej dostępny. Ulepszone metody rejestrowania i utrzymywania odpowiedzi na światło ex vivo ułatwiają badanie funkcji fotoreceptorów i komórek dwubiegunowych ON w zdrowej siatkówce, zwierzęcych modelach chorób oczu i ludzkich siatkówkach dawców.

Optymalizacja ustawień i warunków elektroretinogramu ex vivo w celu badania funkcji siatkówki w małych i dużych oczach

Przedstawiamy szczegółowy protokół dla korelacyjnej mikroskopii świetlnej i elektronowej Epon po osadzeniu przy użyciu białka fluorescencyjnego o nazwie mScarlet. Ta metoda może jednocześnie utrzymać fluorescencję i ultrastrukturę. Ta technika jest podatna na szeroką gamę zastosowań biologicznych.

Epon Post Osadzanie korelacyjnej mikroskopii świetlnej i elektronowej

Zaprojektowano cykliczny bioreaktor ciśnieniowy, który umożliwia poddawanie tkanki zastawek serca fizjologicznym oraz patologicznym warunkom ciśnieniowym. Program LabVIEW pozwala użytkownikom na kontrolowanie wartości, amplitudy oraz częstotliwości ciśnienia. Urządzenie to może być wykorzystywane do badania mechanobiologii tkanki zastawek serca lub izolowanych komórek.

Projekt cyklicznego bioreaktora ciśnieniowego do badań ex vivo zastawek tętniczych serca

Poznaj technikę sinusoidalnych pętli roboczych do badania funkcji mięśniowej in vivo przy użyciu modelu awatar na mięśniach gryzoni. Metoda ta pozwala zrozumieć mechanikę mięśni podczas dynamicznych ruchów.

"Avatar", zmodyfikowane eksperymenty w pętli roboczej ex vivo z wykorzystaniem szczepu in vivo i aktywacji

Przeglądaj więcej filmów