"Avatar", um experimento de loop de trabalho ex vivo modificado usando tensão e ativação in vivo

Caitlin Bemis; Kiisa Nishikawa

doi:10.3791/65610

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Artigo de método

"Avatar", um experimento de loop de trabalho ex vivo modificado usando tensão e ativação in vivo

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DOI:

10.3791/65610

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18 de agosto de 2023

Caitlin Bemis¹ , Kiisa Nishikawa¹

¹Northern Arizona University

Neste artigo

Resumo

Este artigo detalha a metodologia para emular a produção de força muscular in vivo durante experimentos de loop de trabalho ex vivo usando um músculo "avatar" de um roedor de laboratório para avaliar as contribuições dos transientes de tensão e ativação para a resposta da força muscular.

Resumo

Os comportamentos de movimento são características emergentes de sistemas dinâmicos que resultam da produção de força muscular e da produção de trabalho. A interação entre os sistemas neural e mecânico ocorre em todos os níveis de organização biológica simultaneamente, desde o ajuste das propriedades musculares das pernas durante a corrida até a dinâmica dos membros interagindo com o solo. Compreender as condições sob as quais os animais mudam suas estratégias de controle neural para a mecânica muscular intrínseca ('preflexos') na hierarquia de controle permitiria que os modelos musculares predissessem a força muscular in vivo e trabalhassem com mais precisão. Para entender a mecânica muscular in vivo, é necessária a investigação ex vivo da força muscular e do trabalho sob condições de tensão e carga dinamicamente variáveis, semelhantes à locomoção in vivo. As trajetórias de deformação in vivo normalmente exibem mudanças abruptas (ou seja, transientes de deformação e velocidade) que surgem de interações entre ativação neural, cinemática musculoesquelética e cargas aplicadas pelo ambiente. O principal objetivo de nossa técnica de "avatar" é investigar como os músculos funcionam durante mudanças abruptas na taxa de tensão e carga, quando a contribuição das propriedades mecânicas intrínsecas para a produção de força muscular pode ser maior. Na técnica "avatar", a abordagem tradicional de loop de trabalho é modificada usando trajetórias de deformação medidas in vivo e sinais eletromiográficos (EMG) de animais durante movimentos dinâmicos para conduzir os músculos ex vivo através de vários ciclos de alongamento e encurtamento. Essa abordagem é semelhante à técnica de loop de trabalho, exceto que as trajetórias de deformação in vivo são dimensionadas adequadamente e impostas aos músculos de camundongos ex vivo conectados a um servo motor. Esta técnica permite: (1) emular padrões de deformação in vivo, ativação, frequência de passada e loop de trabalho; (2) variar esses padrões para corresponder às respostas de força in vivo com mais precisão; e (3) variar características específicas de tensão e / ou ativação em combinações controladas para testar hipóteses mecanicistas.

Introdução

Animais em movimento alcançam feitos atléticos impressionantes de resistência, velocidade e agilidade em ambientes complexos. A locomoção animal é particularmente impressionante em contraste com as máquinas de engenharia humana - a estabilidade e a agilidade dos robôs, próteses e exoesqueletos com pernas atuais permanecem ruins em comparação com os animais. A locomoção com pernas em terreno natural requer controle preciso e ajustes rápidos para alterar a velocidade e manobrar características ambientais que atuam como perturbações inesperadas¹^,²^,³^,^....