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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

 , 
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 inesperadas1,2,3,4. No entanto, entender a locomoção não estável é inerentemente desafiador porque a dinâmica depende de interações complexas entre o ambiente físico, a mecânica musculoesquelética e o controle sensório-motor1,2. A locomoção com pernas requer a resposta a perturbações inesperadas com processamento multimodal rápido de informações sensoriais e atuação coordenada de membros e articulações1,5. Em última análise, o movimento é possibilitado pelos músculos que produzem força por meio de propriedades mecânicas intrínsecas do sistema músculo-esquelético, bem como do controle neural1,5,6,7. Uma questão pendente da neuromecânica é como esses fatores interagem para produzir movimento coordenado em resposta a perturbações inesperadas. A técnica a seguir utiliza a resposta mecânica intrínseca do músculo à deformação usando trajetórias de deformação in vivo durante experimentos ex vivo controláveis com um músculo "avatar".

A técnica de loop de trabalho muscular forneceu uma estrutura importante para a compreensão da mecânica muscular intrínseca durante movimentos cíclicos8,9,10. A técnica tradicional de loop de trabalho conduz os músculos por meio de trajetórias de deformação predefinidas, tipicamente sinusoidais, usando frequências e padrões de ativação medidos durante experimentos in vivo2,8,9,11. O uso de trajetórias de comprimento sinusoidal pode estimar de forma realista o trabalho e a potência durante o voo12 e swimming2 em condições em que os animais não sofrem mudanças rápidas nas trajetórias de tensão devido à interação com o ambiente e a cinemática musculoesquelética. No entanto, as trajetórias de tensão muscular in vivo durante a locomoção com pernas surgem dinamicamente de interações entre ativação neural, cinemática musculoesquelética e cargas aplicadas pelo ambiente5,7,13,14. Uma técnica de loop de trabalho mais realista é necessária para emular cargas, trajetórias de tensão e produção de força que corresponda à dinâmica músculo-tendão in vivo e forneça informações sobre como a mecânica muscular intrínseca e o controle neural interagem para produzir movimentos coordenados diante de perturbações.

Aqui, apresentamos uma nova maneira de emular as forças musculares in vivo durante a locomoção em esteira usando um músculo "avatar" de um roedor de laboratório durante experimentos ex vivo controlados com trajetórias de tensão in vivo que representam cargas in vivo variáveis no tempo. O uso das trajetórias de deformação in vivo medidas de um músculo-alvo nos músculos de um animal de laboratório durante experimentos ex vivo controlados emulará as cargas experimentadas durante a locomoção. Nos experimentos descritos aqui, o músculo extensor longo dos dedos (EDL) de camundongo ex vivo é usado como um "avatar" para o músculo gastrocnêmio medial (MG) de rato in vivo durante caminhada, trote e galope em uma esteira13. 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. Embora os músculos EDL de camundongos difiram em tamanho, tipo de fibra e arquitetura em comparação com o MG de rato, é possível controlar essas diferenças. A técnica do "avatar" permite: (1) emular padrões de tensão, ativação, frequência de passada e loop de trabalho in vivo; (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.

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Protocolo

Todos os estudos com animais foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidado e Uso de Animais da Universidade do Norte do Arizona. Músculos extensores digitais longos (EDL) de camundongos selvagens de ambos os sexos (linhagem B6C3Fe a/a-Ttnmdm/J), com idade entre 60 e 280 dias, foram utilizados no presente estudo. Os animais foram obtidos de uma fonte comercial (veja a Tabela de Materiais) e estabelecidos em uma colônia na Universidade do Norte do Arizona.

1. Seleção da trajetória da cepa in vivo e preparação para uso durante experimentos de ciclo de trabalho ex vivo

OBSERVAÇÃO: Neste protocolo, medições anteriores de locomoção dinâmica in vivo, fornecidas diretamente aos autores (Nicolai Konow, UMass Lowell, comunicação pessoal), foram utilizadas em experimentos ex vivo. Os dados originais foram coletados para Wakeling et al.15. Tempo, comprimento ou deformação, dados de EMG/ativação e força são necessários para replicar o protocolo.

  1. Divida todo o ensaio in vivo em passos individuais utilizando qualquer plataforma de programação (código MATLab fornecido no Arquivo Suplementar de Programação 1).
    1. Plote as alterações de comprimento vs. tempo para todo o ensaio in vivo. Isso é usado para visualizar passos individuais (de apoio a apoio) e para avaliar a variabilidade entre passos (Figura 1).
    2. Calcule a deformação (strain) para todo o ensaio (Comprimento (L) / Força Isométrica Máxima no Comprimento Ótimo L0).
    3. Selecione um passo representativo de todos os passos do ensaio completo, que comece e termine em comprimentos semelhantes. Isso pode ser feito visualmente, sobrepondo os gráficos de comprimento para comparar cada passo.
    4. Após selecionar um passo representativo, extraia os dados de deformação, EMG/ativação e força de todo o ensaio utilizando qualquer plataforma de programação (veja o Arquivo Suplementar de Programação 1 para os códigos usados no MATLab16).
    5. Se a frequência de amostragem for diferente para deformação, EMG/ativação ou força, interpole os pontos de dados para que todos sejam amostrados na mesma frequência.
      NOTA: Os pesquisadores podem determinar a frequência de captura com base nos intervalos de tempo entre cada ponto amostrado em todo o ensaio. Se as variáveis forem capturadas na mesma frequência, os tempos de amostragem serão iguais.
  2. Calcule a frequência dos passos segmentados.
    1. Calcule a frequência determinando a duração de um passo segmentado em segundos e dividindo 1 (segundo) pela duração (1/duração = número de passos por segundo).
    2. Determine manualmente quantos pontos de dados devem ser adquiridos em experimentos ex vivo para corresponder à frequência.
    3. Calcule o tempo necessário para dois passos. Repita os passos pelo menos uma vez para estimar o erro de medição dentro do músculo, o que será necessário para análises estatísticas subsequentes.
  3. Determine a fase de estimulação em relação à entrada de deformação utilizando a atividade EMG medida para definir o início e a duração da estimulação nos laços de trabalho ex vivo. Qualquer plataforma de programação pode ser usada (veja o Arquivo Suplementar de Programação 1 para o código utilizado neste estudo).
    1. Visualize o sinal de EMG no mesmo intervalo do eixo x (tempo) que a alteração de deformação (Figura 1). Amplie o sinal de EMG para torná-lo visível; isso pode ser feito multiplicando o sinal de EMG por um número arbitrário, reescalando a deformação e o EMG para a mesma escala e/ou adicionando o sinal de EMG ao de deformação.
      NOTA: Os autores reescalonaram a deformação e o EMG para a mesma escala usando a função "rescale" no MATLab (veja Figura Suplementar 1).
    2. Identifique onde a atividade de EMG começa e termina, indicado por uma mudança na intensidade de dois desvios padrão17,18.
      NOTA: Dependendo do animal e do músculo, o início do EMG pode ou não corresponder ao contato do pé (Monica Daley, UC Irvine, comunicação pessoal) (veja a seção de Discussão).
    3. Calcule a porcentagem do ciclo de deformação (por exemplo, 40%) em que ocorre o início da ativação do EMG e por quanto tempo a estimulação ocorrerá (por exemplo, 222 ms).
      NOTA: Os pesquisadores precisarão considerar um atraso no acoplamento excitação-contração (ECC) que difere entre o movimento in vivo e os laços de trabalho ex vivo, e que pode variar entre animais e músculos (por exemplo, o ECC in vivo é de 24,5 ms para o músculo gastrocnêmio de rato, o ECC ex vivo é de ~5 ms para o EDL de camundongo).
  4. Prepare entradas representativas de deformação para o programa controlador de laços de trabalho. Qualquer programa que possa registrar a saída de força com entradas de deformação e estimulação pode ser usado para o programa controlador de laços de trabalho (veja a seção de Discussão).
    1. Tome o passo selecionado e interpole para o número adequado de pontos necessários para capturar o passo na frequência in vivo por dois ciclos (veja o passo 1.2).
    2. Reescalone o passo para começar e terminar em "deformação zero" (por exemplo, L0 ou 95% L0) após um alongamento pré-determinado (veja o passo 3.3).
    3. "Escale" o passo selecionado, se necessário, para usá-lo como entrada para alterações de deformação no EDL de camundongo (veja a seção de Discussão). Para escalar, selecione uma excursão de comprimento à qual o EDL de camundongo possa ser alongado sem danos (por exemplo, normalmente alongamos o EDL de camundongo em 10% de L0, independentemente da espécie in vivo). Isso pode precisar ser ajustado com base em resultados preliminares (veja o passo 3.3).

Dados de contração do músculo cardíaco; gráfico de comprimento versus tempo mostrando padrões de movimento cíclicos.
Figura 1: Comprimento ao longo do tempo do ensaio completo in vivo. Comprimento (mm) representado em função do tempo do MG da rata. As passadas são delimitadas por círculos, do comprimento mais curto ao mais curto, consideradas uma única passada. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.

2. Avaliação da força isométrica máxima de músculo de camundongo ex vivo

  1. Prepare o equipamento e a cirurgia.
    NOTA: Veja a seção Discussão para uma explicação do equipamento necessário para o trabalho com o ciclo ex vivo.
    1. Prepare um banho de tecido-órgão inserindo a válvula de agulha oxytube no banho de tecido com jaqueta de água (veja Tabela de Materiais). Conecte o oxytube a um cilindro de gás com 95% O2-5% CO2. Permita que 20 psi encham o banho de tecido com jaqueta de água.
    2. Prepare a área cirúrgica conectando um oxytube adicional à linha de gás, direcionando-o para um béquer contendo solução de Krebs-Henseleit (passo 2.1.3) próximo à área cirúrgica. Isso será usado para manter os músculos aerados e hidratados durante e após as cirurgias.
      NOTA: Os músculos também podem ser armazenados nesta solução aerada por até 4 h, caso mais de um músculo seja extraído do camundongo ao mesmo tempo.
    3. Prepare 1 L de solução de Krebs-Henseleit contendo (em mmol l-1): NaCl (118); KCl (4,75); MgSO4 (1,18); KH2PO4 (1,18); CaCl2 (2,54); e glicose (10,0) à temperatura ambiente e pH ajustado para 7,4 usando HCl e NaOH (veja Tabela de Materiais). Ao manipular HCl e NaOH, use EPI adequado, incluindo óculos e luvas.
    4. Encha o banho com solução de Krebs-Henseleit à temperatura ambiente e pH 7,4. Mergulhe completamente o músculo e o gancho na solução.
    5. Ligue todos os equipamentos: sistema de alavanca muscular dual-mode, estimulador e interface de sinal (placa DAQ) (veja Tabela de Materiais).
  2. Dissecção do músculo EDL.
    1. Anestesie profundamente o camundongo e, em seguida, realize eutanásia por fratura cervical. Posicione o camundongo em decúbito lateral direito ou esquerdo, com a perna traseira superior esticada e os dedos dos pés tocando a placa de dissecação. Remova os pelos da região do tornozelo até acima da articulação do joelho.
    2. Levante a pele com pinça e corte da articulação do tornozelo até a região do quadril. Após expor o músculo, corte ao redor do tornozelo como uma "barra" de calça. Puxe a pele para cima para expor mais claramente os músculos da perna.
    3. Localize a linha da fáscia que separa o tibial anterior (TA) e o gastrocnêmio, separando-os com tesoura de dissecação para expor os tendões do joelho. Posicione a tesoura de dissecação entre os dois tendões do joelho expostos. A tesoura "pegará" em um espaço logo abaixo dos tendões expostos do joelho. Realize dissecação romba para formar um "bolso", puxando a tesoura para longe da perna até alcançar o tornozelo, expondo assim o EDL.
    4. Usando um nó em laço pré-amarrado em fio cirúrgico de seda 4-0 (veja Tabela de Materiais), passe uma extremidade do fio sob o tendão mais próximo ao joelho. Faça um nó quadrado duplo acima da junção músculo-tendínea proximal, sem colocá-lo diretamente no músculo ou envolvendo o tendão. Corte acima do nó. Puxe suavemente o laço amarrado ao tendão, e o EDL emergirá do "bolso".
    5. Fixe o laço na área de dissecação para criar tensão no EDL. Faça outro nó quadrado duplo usando um segundo laço pré-amarrado na junção músculo-tendínea distal, sem colocá-lo no músculo ou envolvendo o tendão. Corte o nó do lado mais próximo à perna para remover todo o EDL do camundongo. Remova o excesso de fio cirúrgico dos nós quadrados duplos nas extremidades proximal e distal do músculo e coloque o músculo no banho aerado próximo à área cirúrgica.
      NOTA: Certifique-se de anotar qual lado é proximal e/ou distal ao colocar o músculo em um banho aerado.
    6. Para montar no equipamento com alavanca servocontrolada, fixe o EDL verticalmente entre eletrodos de platina suspensos. Conecte o laço distal ao gancho fixo e o laço proximal ao gancho ligado ao braço do servomotor. Eleve o banho de tecido para submergir o músculo na solução aerada de Krebs-Henseleit.
      NOTA: A aeração não deve perturbar o músculo quando submerso. Caso perturbe, reduza a pressão do gás. Deixe o músculo equilibrar por 10 minutos antes de iniciar a estimulação.
  3. Meça a força isométrica máxima do músculo EDL.
    NOTA: Consulte Tabela 1 para o protocolo de medição da força isométrica máxima usando contração de espasmo e tetania. Veja Figura Suplementar 1 para uma ilustração do programa usado pelos autores.
    1. Estimule o músculo com um espasmo supramáximo para garantir que o músculo não tenha sido danificado durante a cirurgia (80 V, 1 pps, 1 ms; Tabela 1; veja Figura Suplementar 2). Se não houver dano, use o botão de comprimento do sistema de alavanca muscular para encontrar um comprimento muscular, com estimulação de espasmo, em que a tensão ativa seja de ~1 V / 0,1271 N, com tensão passiva inferior a ~0,1 V / 0,01271 N.
    2. Registre o comprimento inicial do músculo de nó de fio a nó de fio em volts e milímetros. Insira as medidas na seção de calibração do programa para comprimento inicial (veja Figura Suplementar 1).
    3. Encontre a força isométrica máxima de espasmo supramáximo no comprimento ótimo (L0) do EDL (Tabela 1). Tecnicamente, nenhum período de repouso é necessário, mas esperar 1 minuto entre estimulações estabilizará a tensão passiva. Registre o comprimento (em volts) em que o espasmo supramáximo é máximo. Esse é o comprimento ótimo do músculo (L0) para espasmo.
    4. Meça o músculo com paquímetro nesse comprimento. Meça o músculo de nó de fio a nó de fio. Após determinar L0, encurte o músculo de volta ao comprimento inicial (tensão ativa ~1 V / 0,1271 N).
    5. Encontre a força isométrica máxima de tetania supramáxima do EDL (80 V, 180 pps, 500 ms; Tabela 1). Registre o comprimento (em volts e milímetros) da força tetânica supramáxima em L0 e meça novamente as fibras de nó de fio a nó de fio com paquímetro.
      ​NOTA: Aumentar o comprimento do músculo em passos de 0,5 V/0,65 mm resultará em um L0 mais preciso tanto para espasmo quanto para tetania.
    6. Encontre a força isométrica submáxima do EDL (45 V, 110 pps, 500 ms; Tabela 1) em L0 antes e após o experimento para garantir que não tenha ocorrido fadiga devido ao protocolo de estimulação. Uma redução de 10% na força é considerada indicativo de músculo "fadigado".
ExperimentoIntensidade da Simulação (V)Frequência do Pulso (pps / Hz)Duração da Estimulação (ms)Comentários
1. "Aquecimento"8011Aumentar ou diminuir o comprimento em 0,50 V para encontrar a tensão passiva de 1 V
2. Comprimento ótimo do músculo para contração única (L0)8011Aumentar ou diminuir o comprimento em 0,50 V para encontrar a tensão passiva de aproximadamente 1 V
3. Comprimento ótimo do músculo para tétano (L0)80180500Descansar 3 min entre cada alteração de comprimento em 0,50 V
4. Pré-experimento com L0 submáxima45110500No comprimento de L0
6. Experimentos com Avatar45110Usar ciclicamente alterações representativas de comprimento para o EDL de camundongo
7. Pós-experimento com L0 submáxima45110500Retornar ao L0 após o experimento e medir L0

Tabela 1: Protocolo de estimulação. Protocolo de estimulação para determinar o comprimento ótimo para o tique e a tetania máximos e submáximos. O protocolo varia conforme a intensidade da estimulação, o tempo e o número de pulsos por segundo.

3. Conclusão da técnica de ciclo de trabalho do "avatar" utilizando trajetórias de deformação in vivo selecionadas

  1. Configure o software necessário para concluir as técnicas de ciclo de trabalho "avatar" (consulte Tabela de Materiais).
    OBSERVAÇÃO: É necessário um arquivo de entrada (.csv ou similar) que especifique o comprimento do músculo em cada intervalo de tempo (ver etapa 1.4). São necessários os valores de entrada para a porcentagem do ciclo em que a estimulação começa e para a duração da estimulação (ver Figura Suplementar 3 por exemplo).
  2. Técnica completa de ciclo de trabalho "avatar".
    OBSERVAÇÃO: Embora utilizemos um programa personalizado em LabView, os pesquisadores podem usar qualquer programa que permita o controle de alterações no comprimento do músculo EDL de camundongo por meio de uma alavanca com servomotor, controle do início (% do ciclo) e duração (ms) da estimulação em tempos específicos, e medição da força muscular. Veja Figura Suplementar 3 para uma ilustração do programa utilizado pelos autores.
    1. Carregue as alterações de deformação escalonadas com a excursão de comprimento escalonada no programa do passo 1.4. Consulte os passos 1.4, 3.3 e a seção Discussão para obter mais informações sobre "alterações de deformação escalonadas".
    2. Ajuste o comprimento inicial do músculo, se necessário (ver seção 3.3). Insira o comprimento inicial em V e mm para calibrar os resultados (ver Figura Suplementar 3).
    3. Utilize o início e a duração da estimulação calculados na etapa 1.3.
    4. Execute duas ciclos de mudanças de comprimento com a excursão de comprimento determinada no músculo escalonado.
    5. Salve os dados. Se vários protocolos de estimulação forem coletados no mesmo músculo, aguarde 3 min entre cada estimulação.
    6. Estimular no comprimento ótimo (L0) utilizando ativação submáxima para determinar se ocorreu fadiga. Se a força diminuir mais de 10%, os músculos são considerados fatigados. Veja Tabela 1 para protocolos de estimulação.
    7. Retire o músculo do banho. Remova os nós em forma de laço do músculo e seque o excesso de solução com um lenço de papel. Pese o músculo. Determine a área fisiológica da seção transversal utilizando a fórmula padrão: massa do músculo/(L0*1.06)19.
  3. Ajuste os parâmetros para a técnica de ciclo de trabalho do "avatar" (consulte a seção de Discussão).
    1. Determine o comprimento inicial e a excursão de comprimento mediante correspondência do ex vivo aumento da tensão passiva até o aumento da tensão passiva observado in vivo (Figura 2).
      OBSERVAÇÃO: Este estudo utilizou porcentagem de L0 para escalar o comprimento inicial (mm) e a excursão (% L0; ver o passo 1.4 e a seção Discussão). Para corresponder ao aumento da tensão em ex vivo EDL de camundongo em relação ao in vivo rato MG, os autores descobriram que o comprimento inicial em L0 produziu o melhor ajuste (Figura 2).
    2. Escolha três comprimentos iniciais (por exemplo, -5% L0, L0, e +5% L0). Realize o ciclo de trabalho do "avatar" em cada um desses comprimentos iniciais com uma excursão de comprimento especificada (por exemplo, 10% de L0).
      OBSERVAÇÃO: Nos experimentos "avatar" atuais utilizando o EDL de camundongo, uma excursão de comprimento de 10% L0 foi utilizado.
    3. Repita com novos comprimentos iniciais e/ou excursões até que a taxa de ex vivo a elevação da tensão passiva é semelhante à taxa de in vivo aumento da tensão passiva (ver Figura 2B).
    4. Dependendo dos tipos de fibras e da dinâmica de ativação dos músculos utilizados, aumente ou diminua a duração da estimulação para otimizar a correspondência entre ex vivo e in vivo força. Assim, pode ser necessário alterar o início e/ou a duração da estimulação para melhor ajustar in vivo produção de força durante experimentos com "avatar"
    5. Para decidir se isso é necessário (ver seção Discussão), plote a força ao longo do tempo do "avatar" e in vivo músculoFigura 3) e calcule o coeficiente de determinação R2 elevando ao quadrado a correlação padronizada entre a força muscular do alvo e do músculo "avatar" (ver Resultados Representativos).

Gráfico de equilíbrio estático, ΣFx=0, mostrando análise do ciclo de trabalho; diagrama de tensão versus deformação em escala.
Figura 2: Aumento da tensão passiva correspondente. Ciclos de trabalho mostrando o in vivo e ex vivo aumento da tensão passiva (setas). In vivo laço de trabalho escalonado do músculo gastrocnêmio de rato (preto) durante caminhada a 2,9 Hz (dados de Wakeling et al.)15). Ex vivo laços de trabalho dimensionados do EDL de camundongo (verde) a 2,9 Hz. (A) Comprimento inicial do músculo EDL de camundongo é +5% L0. (B) Comprimento inicial do músculo EDL do camundongo é L0. Observe que o aumento da tensão passiva ex vivo corresponde ao in vivo aumento da tensão em A, mas não em B. Linhas mais grossas indicam estimulação. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.

Gráfico de tensão versus tempo mostrando curvas de resposta dinâmica na análise de testes de materiais.
Figura 3: Otimização da duração da estimulação do EDL de camundongo para corresponder à força in vivo do músculo gastrocnêmio (MG) de rato (linha preta). A força gerada pelo EDL de camundongo utilizando estimulação baseada em EMG (linha verde tracejada) diminui mais cedo do que a força in vivo, provavelmente devido à desativação mais rápida do EDL de camundongo em comparação com o MG de rato. Para otimizar o ajuste entre as forças in vivo e ex vivo, o EDL de camundongo foi estimulado por um período mais longo (linha verde contínua). R2 da estimulação baseada em EMG = 0,55, R2 da estimulação otimizada = 0,91. Clique aqui para visualizar uma versão maior desta figura.

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Resultados

O objetivo dos experimentos com "avatar" é replicar in vivo produção de força e saída de trabalho tão próximas quanto possível durante ex vivo experimentos de ciclo de trabalho. Este estudo optou por utilizar o EDL de camundongo como um "avatar" para o MG de rato, porque o EDL de camundongo e o MG de rato são ambos compostos principalmente por músculos de contração rápida20,21. Ambos os músculos são movimentadores primários da articulação do tor...

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Discussão

Enquanto os organismos se movem perfeitamente pelas paisagens, as cargas e tensões subjacentes que os músculos experimentam variam drasticamente 1,6,23. Durante os experimentos de locomoção in vivo 1,24 e "avatar", os músculos são estimulados submaximamente sob condições cíclicas e não estáveis. As relações força-comprimento isométricas e força-velocidade isotôn...

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Divulgações

Todos os autores reconhecem que não há conflito de interesses.

Agradecimentos

Agradecemos ao Dr. Nicolai Konow por fornecer os dados utilizados neste estudo. Financiado pela NSF IOS-2016049 e NSF DBI-2021832.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Sutura de Seda Trançada Não Absorvível 4-0 Mersilk 734H
Cloreto de Cálcio Dihidratado (CaCl2)Sigma-Aldrich1086436Krebs-Henseleit  solução
Dextrose Sigma-AldrichD9434Krebs-Henseleit  solução
HEPESSigma-AldrichPHR1428Krebs-Henseleit  solução
Ácido Hidlorídrico (HCl) Sigma-Aldrich1.37055Krebs-Henseleit  solução
LabView Data Collection Sulfato de Magnésio Lab-View
(MgSO4)Sigma-AldrichM7506Krebs-Henseleit  solução
Cloreto de potássio (KCl) Sigma-AldrichP3911Krebs-Henseleit  solução
Fosfato de Potássio Monobásico (KH2PO4)Sigma-Aldrich5.43841Krebs-Henseleit  solução
S88 EstimuladorGramaM643H05Disponível para compra no Ebay
Série 300B Sistema de AlavancaAurora1200Ainclui banho de tecido de jaqueta de água
Bicarbonato de Sódio (NaHCO3)Sigma-AldrichS5761Krebs-Henseleit  solução
Cloreto de Sódio (NaCl) Sigma-AldrichS9888Krebs-Henseleit  solução
Hidróxido de Sódio (NaOH)Sigma-AldrichS5881Krebs-Henseleit  solução
Ratos Tipo SelvagemJackson LaboratórioB6C3Fe a/a Ttn mdm/J
de

Referências

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