Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

בידוד פונקציונלי של יחידות מנוע יחיד של שריר גסטרו-קסטרונומיוס חולדה

Published: December 26, 2020 doi: 10.3791/61614
Automatic Translation
*1,2, *1
1Department of Neurobiology, Poznań University of Physical Education, 2Department of Biochemistry, Poznań University of Physical Education
* These authors contributed equally

Summary

שיטה זו מאפשרת הקלטה של הכוח של התכווצויות עוויתות וטלטוניות ופוטנציאל פעולה בשלושה סוגים של יחידות מנוע בשריר גסטרוקנמיוס חולדה. הבידוד הפונקציונלי של יחידה מוטורית אחת מושרה על ידי גירוי חשמלי של האקסון.

Abstract

עבודה זו מתארת בידוד פונקציונלי של יחידות מנוע (MUs), שיטה אלקטרופיזיולוגית סטנדרטית לקביעת מאפיינים של יחידות מנוע בשרירים האחוריים (כגון גסטרוקנמיוס מדיאלי, סוליה, או plantaris שריר) בחולדות ניסיוניות. מרכיב חיוני בשיטה הוא יישום של גירויים חשמליים מועברים לאקסון מנוע מבודד מהשורש הפתחי. הגירויים עשויים להימסר במרווחי זמן בין-פולסים קבועים או משתנים. שיטה זו מתאימה לניסויים בבעלי חיים בשלבי בגרות שונים (צעירים, מבוגרים או מבוגרים). יתר על כן, פרוטוקול זה יכול לשמש בניסויים ללמוד השתנות ו פלסטיות של יחידות מנוע ים עורר על ידי קשת גדולה של התערבויות. התוצאות של ניסויים אלה עשויים גם להגדיל את הידע הבסיסי בפיזיולוגיה שרירים ולהיות מתורגם ליישומים מעשיים. הליך זה מתמקד בהכנה הכירורגית להקלטה וגירוי של MUs, עם דגש על הצעדים הדרושים כדי להשיג יציבות הכנה ושחזור של תוצאות.

Introduction

יחידות מנוע (MUs) הן היחידות הפונקציונליות הקטנות ביותר של שרירי השלד. לכן, הבנת הפונקציה שלהם, פלסטיות ומאפיינים כיווץ, כמו גם את המנגנונים של ויסות הכוח שלהם, הוא חיוני להתקדמות בפיזיולוגיה שריר. המאפיינים ההתכווצות הבסיסיים של MUs ואת הפרופורציות של הסוגים הפיזיולוגיים שלהם תועדו עבור שרירים רבים, בעיקר השרירים האחוריים בבעלי חיים ניסיוניים. עם זאת, הן הפלסטיות של מאפייני MU ואת המנגנונים של ויסות כוח MU עדיין לא מובן במלואו.

העיקרון של השיטה המתוארת הוא השפלה נרחבת של שרירי הבטן למעט אחד נחקר כריתת למינקטום על חוליות המותניים על מנת להכין rootlets גחמני דק, כל אחד המכיל אחד "פונקציונלי" axon מנוע, מגורה חשמלית כדי להקליט את הכוח ואת פוטנציאל הפעולה של MU. באמצעות הטכניקה המתוארת במאמר זה, ניתן לבודד יותר ממחצית ההונו-ם של שריר גסטרו-קסטרונומיוס מדיאלי בניסוי מוצלח. גסטרוקנמיוס חולדה מדיאלי מורכב בממוצע 52 MUs (נקבות) או 57 MUs (זכרים) של שלושה סוגים פיזיולוגיים: S (איטי), FR (עמיד מהר) ו FF (ניתן לשומן מהיר)1,2,וישלהםתכונות התכווצות משתנה3. עבור ניסויים השוואת ערכי ממוצע עבור MUs בקבוצות בקרה וניסיוני, בידוד והקלטה של 10-30 MUs עבור כל אחת מקבוצות אלה נחוצים. באופן קריטי, תותבי משתמשים בודדים עשויים להיות נגישים לגירוי לפרקי זמן העולים על שעה אחת. יתר על כן, מאז טכניקה זו מאפשרת להקליט הן כוח MU ופוטנציאל פעולה, שיטה זו מתאימה ללימוד תופעות הקשורות לייצור כוח, הערכת ההשפעה של עייפות, והתבוננות ביחסים בין הכוח ופוטנציאל פעולה.

מחקרים קודמים אישרו כי MU מאפייני התכווצות הם פלסטיק, עשוי להיות מאופנן על ידי התערבויות רבות. ניסויים בטכניקה המתוארת כאן בוצעו על חולדה medial gastrocnemius4 או אחרים שרירי אחורי שלחולדה 5,6, כמו גם על שרירי חתול 7 ,בשיטהדומה של בידוד MU יחיד. סדרה נוספת של ניסויים באמצעות רכבות של גירויים נמסר במרווחי זמן בין-פולסים משתנים סיפק תצפיות לגבי תהליכי בקרה מוטורית, ואת התוצאות באופן כללי להפנות את תשומת הלב להיסטוריה של גירוי, כולל השפעות ניכרות של שינוי בקנה מידה הזמן של אפילו גירוי אחד, חיונילייצור כוח 8,9.

ניתן גם ללמוד שיטות דרכים חלופיות באמצעות שיטות חלופיות. ראשית, שיטה אחת היא גירוי ישיר של motoneurons. בורק השתמש בגירוי תאי של motoneurons בחתולים גסטרוקנמיוס ו סוליות עם מיקרואלקטרודות זכוכית המשמשות במקביל כדי לקבוע את המאפיינים האלקטרופיזיולוגיים שלנוירונים אלה 1,10. שיטות אחרות הוצעו ללמוד MUs בשרירים אנושיים, אשר דורשים התערבות נמוכה באופן משמעותי. עבור כל שיטות אלה, אלקטרודות מגרה והקלטות מוכנסים לתוך השריר או העצב, ואת הכוח נרשם מן האצבע או מן הרגל. הראשונה של שיטות אלה שימשה כדי ללמוד MUs בשריר הבין-תאי גב הראשון. עבור שריר זה, מתכווץ עם כוח נמוך, באלקטרומיוגרמה נרשם עם אלקטרודה מחט מוכנס לתוך השריר את פוטנציאל הפעולה של יחידה מוטורית פעילה אחת בלבד זוהו. לאחר מכן הרסיסים של כוח שריר נרשם במקביל ובעקבות כל פוטנציאל פעולה היו בממוצע (ספייק מופעל בממוצע). שיטה זו מאפשרת חילוץ של הכוח של יחידה מוטורית אחת משריר כוח השריר11. עם זאת, החולשה המתודולוגית של הליך זה היא כי אין כוח עווית אחד אלא שברים של התכווצויות טטינית היו בממוצע. ניתן גם ללמוד שיטות קוסמות אנושיות בשיטה השנייה של גירוי חשמלי תוך שרירי באמצעות אלקטרודההמוכנסת לשריר 12, המעוררת שבר של עץ סקסוני, המוביל להפעלה של יחידה מוטורית אחת. השיטה השלישית היא גירוי זעיר עם אלקטרודה מוכנסת לתוך העצב. כאשר האלקטרודה מפעילה רק אקסון מנוע אחד בעצב, רק יחידת מנוע אחת חוזה13. לשיטות האחרונות יש כמה מגבלות, כולל יציבות ואיכות ההקלטה, הגבלות אתיות וגישה לחומר הניסיוני. פרוטוקול זה נעשה שימוש נרחב בחתולים בשנות ה-70 וה-80וה-14.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל ההליכים צריכים להיות מאושרים על ידי ועדת האתיקה המקומית ולדבוק בהנחיות האיחוד האירופי בנושא טיפול בבעלי חיים, כמו גם בחוק הלאום להגנה על בעלי חיים.

הערה: כל נסיוה המעורב בהליך זה חייב להיות מאומן בהליכים כירורגיים בסיסיים וחייב לקבל רישיון תקף לביצוע ניסויים בבעלי חיים.

1. הרדמה

  1. להרדים את העכברוש עם הזרקת תוך-אפרטונל של נתרן פנטוברביטל (מנה ראשונית של 60מ"ג-ק"ג -1).
  2. לאחר כ-5 דקות, בדקו את עומק ההרדמה על-ידי צביטת האוזן או ההתכה עם מרטוטים קהים. עבור לשלבים הבאים של הפרוטוקול רק כאשר לא נצפתה פעולת רפלקס.
  3. במהלך הניתוח, לבדוק את פעולות רפלקס החיה כל 10-15 דקות ולהשלים הרדמה אם החיה מגיבה צביטה עם תנועה (בדרך כלל, 10 מג·ק"ג -1·h-1 נתרן פנטוברביטל, IP).

2. כירורגיה

  1. הכן את החיה להליך הניתוח על ידי גילוח הפרווה מעל הגב השמאלי מהעקב עד הירך (החלק הראשון, בידוד שרירים ועצבים), האחורי הימני מהעקב עד הירך (החלק השני, אלקטרודה הקרקע), ואת הישבן מהזנב לחלקי בית החזה (החלק השלישי, כריתת למינקט). חיטוי אינו נחוץ בשל אופיו החריף של הניסוי.
    1. מניחים את העכברוש על בטנו על משטח חימום (37°C ± 1°C.
  2. כריתת למינקט
    1. באמצעות מספריים חדות, לחתוך את העור לאורך עמוד השדרה מsacrum עד חוליות בית החזה.
    2. הפרד את העור מהשרירים הבסיסיים.
    3. באמצעות מספריים קצה בוטה, לחתוך את שריר longissimus משני צידי תיבות העצה ותהליכים ספיניים המותניים.
    4. זהה את חוליית S1 כמקטע הנמוך ביותר. באמצעות מספריים חדות קהות, גזור והסר את התהליכים הספיניים מ-L6 ל-L2. לאחר מכן, באמצעות rongeurs בסדר, להסיר את התהליכים הרוחביים L6-L2 ולבצע כריתת למינציה מעל L6 – L2 קטעים (תהליכים רוחביים הראשון, אז למינה, להתחיל עם קטע חוליות L6) כדי לחשוף את קטעי המותניים של חוט השדרה מכוסה על ידי מאטר דורה. היזהרו לא לחתוך את עצם העצם ואת L1 תהליך ספיני, אשר ישמש כמקום קיבעון עבור אי-תנועה של בעלי חיים.
    5. באמצעות מספריים חדות, לחתוך את חוט השדרה (שבר סיבתי שלה) ואת השורשים גב וגחוני ברמת קטע חוליות L2, בגבול העליון של כריתת למינקטום. מניחים חתיכות קטנות של קצף ג'ל מיובש כדי להפסיק לדמם. לאחר מכן, מניחים צמר גפן דק וספוג תמיסת מלח מעל מקטעי חוט השדרה החשופים.
  3. בידוד של שריר גסטרו-קסטרונומיוס ומדיאלי ועצביו
    1. באמצעות מספריים חדים קהים, לעשות חתך אורכי בצד האחורי של האיבר האחורי השמאלי, מגיד אכילס עד הירך.
    2. אחז בעור בעזרת המכריחים והפרד את העור מהשרירים הבסיסיים משני צידי החתך.
    3. אתר את הפוסה popliteal בחלק האחורי של מפרק הברך, אשר מכוסה על ידי שריר femoris שרירי. באמצעות מספריים, לעשות חתך בין החלק הקדמי והחלק האחורי של השריר הזה.
    4. נעים כלפי מעלה, חותכים את שני ראשי שרירי הירך כל הדרך עד לירך כדי לחשוף את עצב הירך.
    5. באמצעות מרטפים קהים ומספריים, להפריד את החוץ מהראש המדל של שריר גסטרוקנמיוס ולחתוך את החדרה דיסטלית (גיד אכילס) של שריר גסטרוקנמיוס מדיאלי. לשמר את רסיס גיד אכילס זמן רב ככל האפשר על מנת להשתמש בו כדי להתחבר מתמר הכוח.
    6. זהה את העצב הגסטרו-קסטרונומי (MG) המדל. באמצעות המקציצות ומספריים, לחתוך את כל בטחונות הנותרים של עצב הירך, כולל בטחונות שרירי אחוריים ו semitendinosus. השאר את כלי הדם של האספקה לגסטרו-קונומיוס המדל שלם.
    7. להשחיל קשירה לא אלסטית דרך גיד אכילס ו לעשות שלושה קשרים.
    8. מניחים חתיכת צמר גפן ספוגה בתמיסת מלח מתחת לעצב ולשריר החשופים.
    9. באמצעות מכריחים משונן, לסגור את העור מעל האזור המופעל.
    10. באמצעות מספריים חדות, לעשות חתך 2 ס"מ בעור רקמת חיבור הבסיסית לאורך הצד הקדמי של האיבר האחורי השמאלי עבור השתקה עם מהדק מתכת (3.1.6.).

3. הכנה להקלטה וגירוי

  1. עמוד חוליות קיבעון רגל וסידורי שרירים
    1. באמצעות מלחצי פלדה, לתקן את האיבר האחורי השמאלי על ידי לשים את המלחציים על השוקה.
    2. מניחים את החולדה במסגרת מתכווננת בהתאמה אישית (חוט נחושת מבודד, 1 מ"מ), משכו את מגני העור סביב כריתת ה למינקטור באמצעות ארבע ליגטורות ותפרו את העור למסגרת כדי ליצור בריכה לשמן פרפין (גודל של כ-50 מ"מ x 50 מ"מ) מעל חוט השדרה החשוף.
    3. באמצעות משקולת #55 מקציצות, להרים את מאטר דורה בצומת של חוט השדרה, לחתוך אותו caudally עד עצם העצם ולמשוך אותו.
    4. באמצעות מוט זכוכית קהה, שורשים נפרדים שמאלה וימין גב וגהוני ברמות רצופות, דואג לא לפגוע בהם.
    5. מלאו את הבריכה מעל חוט השדרה בשמן פרפין חם (37°C), המכסה את השורשים החשופים של גיחוך הגב.
    6. מניחים את החולדה על לוח האלומיניום בהזמנה אישית (אורך 260 מ"מ, רוחב 120 מ"מ, גובה 80 מ"מ) עם בריכה (אורך 135 מ"מ, רוחב 100 מ"מ, עומק 45 מ"מ) עבור האחוריים שלו המחוברים למערכת החימום בלולאה סגורה. הצלחת היא מקום שבו החיה תהיה משותקת והניסוי יבוצע.
    7. תקן את המלחציים על המוט האחורי השמאלי עם מוט המתכת כדי לשתק את ההינדימב.
    8. לתקן את עמוד החוליות על ידי הצבת מהדקי פלדה על עצם העצם ואת חוליית L1 כדי לשתק את גוף החי ולחסל את החפצים בהקלטות כוח הקשורות תנועות נשימה.
    9. חבר את שריר הגסטרו-קסטרונומיה השמאלי עם הקשירה הלא-אלסטית לתמר הכוח (עם תאימות של 50 μm/250 mN, טווח מדידה 0-1000 mN) דרך גיד אכילס.
    10. למלא את התא לאחוריים עם חם (37 ° C) שמן פרפין כדי לכסות את שריר גסטרוקנמיוס מדיאלי ולשמור על טמפרטורת השמן ב 37 ° C ± 1 ° C באמצעות בדיקת הטמפרטורה והמערכת האוטומטית.
  2. מיקום אלקטרודות עבור פוטנציאל פעולה הקלטה וגירוי
    1. הכנס אלקטרודה חוט כסף דו קוטבית דרך החלק האמצעי של שריר גסטרו-קסטרונומיוס מדיאלי, ניצב לציר הארוך שלו. שמור על מרחק של כ-5 מ"מ בין שתי האלקטרודות הממוקמות לאורך ציר ארוך של השריר. אלקטרודות אלה ישמשו לתיעוד פוטנציאל פעולה של יחידה מוטורית (MUAPs). חבר את האלקטרודות למפרר הרעש הנמוך.
    2. למתוח את השריר המופעל למתח פסיבי של 100 mN, נשלט על ידי מתמר כוח. עבור חולדה גסטרו-קסטרונומיוס מתיחה זו MUs של שלושה סוגים לפתח את כוח עוויתהגבוה ביותר 15.
    3. באמצעות מספריים חדות, לעשות חתך 2 ס"מ בעור של האיבר האחורי הימני ולהכניס אלקטרודה חוט כסף כדי לשמש אלקטרודה התייחסות.
    4. מניחים ומסדרים לוח מתכת מבודד בהזמנה אישית (גודל 30 מ"מ x 13 מ"מ) מעל שורשי עמוד השדרה החשופים. לשים זוגות שמאליים של שורשים גחוניים ודום (L4, L5 ו L6) על הצלחת.
    5. מוסיפים תמיסת מלח לבריכה שנוצרה על ידי העור סביב כריתת ה למינקט. רמת תמיסת מלח צריכה להיות מתחת לצלחת המבודדת.
    6. מניחים חוט כסף מגרה אלקטרודה (שני חוטי כסף, 0.5 מ"מ קוטר, אורך 50 מ"מ) על שורשי עמוד השדרה החשופים, מניחים מוט חיובי 3 מ"מ מעל הצלחת בשמן, ואילו הקוטב השלילי בתמיסת מלח (נוסף לבריכה, מתחת לצלחת) ולהתחבר למגרה.

4. הקלטות יחידת מנוע

  1. מגרה עם פולסים מלבניים חשמליים (משך 0.1 ms, משרעת עד 0.5 V), בחר את השורשים הפתחיים (L4, L5 ו- L6); גירוי שורש גחני מעורר התכווצות של השרירים ואילו אין השפעה כזו עבור שורשי גב. לחסל שורשי גב מהצלחת. עבור גסטרו-קסטרונומיוס המדל, רוב האקסונים נמצאים בשורש הגה-5 L5.
  2. באמצעות זוג מקצות דומונט #55 ומשקפיים מגדילים, לפצל שורשי גחם L5 או L4 לתוך חבילות עדינות מאוד של אקסונים (לתפוס את הקצה החתוך של rootlet גחם עם שני מקציות ולקלף את השורשים בנפרד); למקם אחת מחבילות אלה על אלקטרודה חוט כסף ולעורר (0.1 ms פולסים מלבניים של משרעת עד 0.5 V) כדי להשיג פעילות של MU יחיד. תמיכה מוצקה (מוט מתכת) שימושית מאוד לטיפול בחבילות דקות של אקסונים, אשר יכול לשמש כתמיכה ביד לשימוש במרטים. שים לב גם שיש צורך במקור אור נוסף.
  3. על ידי הגדלת עוצמת הגירוי בהדרגה, לזהות MU יחיד על בסיס הדמות "הכל או אף אחד" של התכווצות עווית וגירוי פוטנציאלי פעולה. בדוק בקפידה את הפעילות המעוררת בגירוי סביב הסף.
    1. כאשר יותר מMU אחד הוא מתכווץ בשריר למד והגדלת הרמה של הכוח, כמו גם הגדלת משרעת או שינוי צורה של פוטנציאל הפעולה גלויים, לחזור לשלב 4.2 ולחלק את החבילה של אקסונים שוב. שים לב כי ההתועבוסות החזקות ביותר ב- gastrocnemius חולדה מדיאלי יש כ 70 פעמים כוח עווית גדול יותר מאשר החלשים ביותר וכאשר MU חזק מאוד הוא עוויתות השני, MU חלש לא יכול להיות ברור. שים לב גם כי כמה MUs יש סיבי השריר שלהם ממוקם מתוך אזור ההקלטה של האלקטרודה והם אינם גלויים אלקטרומיוגרמה; במקרה כזה שינויים במשרעת הגירוי עשויים להשפיע על הכוח אך לא בפוטנציאל פעולה.
  4. לעורר יחידה מוטורית עם פרוטוקול גירוי הכרחי למטרת ניסוי. לקבלת פרוטוקול גירוי בסיסי הדרוש לחישוב כל המאפיינים הבסיסיים של כיווץ יחידת מנוע ופוטנציאל פעולה, כלול את הפעולות הבאות.
    1. כלול 5 גירויים ב- 1 הרץ (5 עוויתות בודדות מוקלטות בממוצע; ממוצע הוא ביטול רעש, וזה חשוב במיוחד עבור MUs החלש ביותר).
    2. כלול סדרה של גירויים בתדרים 10, 20, 30, 40, 50, 60, 75, 100 ו- 150 הרץ עם משך של 500 ms (הקלטות אלה מאפשרות חישוב של קשרי תדר הכוח, הכוח הטטני המרבי ב- 150 הרץ, כמו גם את ה-sag ב- 20-40 הרץ).
    3. כלול את מבחן העייפות (tetani עורר על ידי רכבות של 14 גירויים בתדר 40 הרץ, חוזר בכל שנייה במשך 4 דקות).
    4. כלול מרווחי זמן של 10 שניות לפחות בין כל רכיבי הפרוטוקול לעיל.
    5. חזור על התהליך עם יחידות מנוע מבודדות רצופות.
  5. לסיים את הניסוי ולהמתת סד החיה באמצעות ניהול תוך-אפרטוניאלי של מנה קטלנית של נתרן פנטוברביטל (180 מ"ג-ק"ג-1).

5. מכשיר אלקטרוני

הערה: תוכנית המחשב המותאמת אישית שולטת בממריץ, ומספקת את האפשרות ליצור תבניות גירוי משתנות, כולל אלה שצוינו בשלב 4.4. התוכנית משתפת פעולה עם ממיר אנלוגי לדיגיטלי (לפחות 10 kHz עבור MUAP והקלטות כוח).

  1. חבר את מגן ה-AC למחשב באמצעות הממיר האנלוגי-לדיגיטלי ובמקביל לאוסצילוסקופ.
  2. חבר את מתמר הכוח למחשב באמצעות הממיר האנלוגי-לדיגיטלי ובמקביל לאוסצילוסקופ. השתמש מתמר כוח כדי לשלוט בכוח שריר פסיבי במהלך הניסוי. שים לב כי במהלך הניסוי, הכוח הפסיבי עשוי להקטין; לכן, יש צורך להגדיל את אורך השריר כדי לשמור על כוח שריר פסיבי קבוע.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ניתן לחשב פרמטרים של התכווצויות של יחידות מוטוריות ופוטנציאל פעולה על בסיס הקלטות כאשר מובטחים תנאים יציבים של הקלטות. איור 1 מציג הקלטה מייצגת של עווית אחת של MU מהיר. העקבות העליונים מראים את פוטנציאל הפעולה של היחידה המוטורית. העיכוב בין אספקת גירוי והתחלה של פוטנציאל הפעולה של יחידת המנוע הוא בשל זמן מוליכות מהשורש הפתח לשריר. איור 2 מציג הקלטה מייצגת של כוח הטטנוס הבלתי מרוסן של MU מהיר ורכבת של פוטנציאל פעולה יחידה מוטורית.

Figure 1
איור 1: הקלטה מייצגת של עווית אחת של MU מהיר. מעבר למסלול הכוח, יש פוטנציאל פעולה של יחידה מוטורית. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: הקלטה מייצגת של כוח הטטנוס הבלתי מרוסס של MU מהיר (הקלטה אמצעית), רכבת של פוטנציאל פעולה יחידה מוטורית (הקלטה עליונה) ומיקום זמן של רכבת של גירויים יישומיים (להלן). לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

אם מבוצע כראוי על ידי מדענים מנוסים, הרכיב הכירורגי של הפרוטוקול המתואר צריך להסתיים בתוך כשעתיים. יש לנקוט טיפול מיוחד כדי לשמור על מצבים פיזיולוגיים יציבים של בעל החיים במהלך הניתוח, במיוחד טמפרטורת הגוף ועומק של הרדמה, אשר צריך להיות נשלט באופן שיטתי על ידי הערכת פינה רפלקסים גמילה. לאחר הניתוח, ניתן יהיה לשמור על תנאי הקלטה יציבים למשך שש שעות לפחות.

ההליך הניסיוני המכריע מתחיל בפיצול שורש האוורור לנתביים דקים מאוד המובילים לבידוד של אקסון מנוע יחיד לשריר הנחקר. למעשה, סיבים דקים של שורשים גחוניים מכילים קבוצות של אקסונים הפנימיים שרירים שונים של האחוריים; עם זאת, כי כל השרירים מלבד אחד למד הם denervated, כאשר החבילה מגורה של אקסונים מכיל רק axon אחד כדי גסטרוקנמיוס המיוקלי למד אפשר לעורר את התכווצות MU יחיד רק בשריר זה למד. לאחר זיהוי מוצלח של הפעילות שעוררה כהתכווצות MU אחת, ניתן להקליט קבוצה של הקלטות כוח (עווית אחת, טטנוס unfused, מבחן העייפות) חיוני עבור סיווג של MU כאחד משלושה סוגים פיזיולוגיים. היתרון של טכניקה זו הוא היכולת להקליט עד 30 יחידות בניסוי אחד; בנוסף, ניתן לסווג באופן מיידי כנוהנים מהירים או איטיים על בסיס נוכחות "sag"1,3. יתר על כן, MUs ניתן לסווג מהר-fatigable או עמיד מהר עם דיוק גבוה מאוד בהתבסס על פרופיל של כוח התכווצות tetanic unfusedהקלטה 16. ניתן להשתמש בשיטה אחרונה זו כאשר לא ניתן לבצע את בדיקת העייפות הקלאסית. כמו כן, ראוי לציין כי סיווג MU מהיר /איטי יכול להיעשות גם עם מדד 20 הרץ17.

פרוטוקול הגירוי המוצע (שלב 4.4) עשוי להיות מותאם לצרכי המחקר. קבוצה מסוימת זו של גירויים מאפשרת להקליט עוויתות (לחישוב פרמטרים בסיסיים של עוויתות, כולל כוח העווית, התכווצות, כמו גם זמן הרפיה), טטנוס המרבי (לכן ניתן לחשב את יחס עווית לטטנוס), התכווצויות טטאניות לא מותכות ב סט של תדרי גירוי (כדי לסווג MU כמו איטי או מהר מבסס על נוכחות sag או 20 הרץ אינדקס, כמו גם כדי לחשב את עקומת תדירות הכוח) ואת בדיקת העייפות (הכרחי כדי לחשב את מדד העייפות). חישוב מדד העייפות הוא שיטה בסיסית לסווג MUs כניתן לשומן או עמיד. שיטה זו פתוחה לשינוי כדי לייצר דפוסי גירוי שונים; עם זאת, מגבלה אפשרית היא תוכנת המחשב המייצרת את התפלגות הזמן של גירויים שנמסרו לאקסון. יתר על כן, כמה שינויים נוספים עשויים להיות הציגו כדי לענות על שאלות מחקר ספציפיות, כגון מספר אלקטרודות מגרה כדי להפעיל מספר MUsבמקביל 18, חיישן לייזר נוסף כדי להקליט mechanomyogram (MMG)ממשח השריר 19 או אלקטרודה הקלטה על ענף עצב לשריר כדי לחשב אתמהירות התנהגות עצבית 20.

עם זאת, חשוב להיות מודעים למגבלות ולאתגרים של הליך זה. ראשית, חלק ניכר מההתקנה הניסיונית הוא בהזמנה אישית (כלומר, מלחציים לאיבר ולמקטעים החוליות, צלחת לשורשים ואלקטרודות גחונים). ההתקנה הניסיונית כוללת שולחן מתכת מוצק עם צלחת (עובי 30 מ"מ) עבור כל מוטות המתכת התומכים (הנחוצים להשתקת בעלי חיים ומתמר הכוח) כדי לאפשר תנאים יציבים להקלטה איזומטרית של כוח. יישום שיטה זו דורש גם הכשרה מקיפה בניתוח, כמו גם הכנת התקנה ניסיונית מורכבת כולל מכשיר אלקטרוני ותוכנה ממוחשבת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

לסופרים אין ניגוד אינטרסים לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי מענק מרכז המחקר הלאומי הפולני 2018/31/B/NZ7/01028.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Force transducer custom-made
Forceps Fine Science Tools No. 11255-20 Dumont #55 with extra light and fine shanks
Forceps Fine Science Tools No. 11150-10 Extra Fine Greafe Forceps
Forceps Fine Science Tools No. 11026-15 Special cupped pattern for superior grip
Forceps Fine Science Tools No. 11023-10 Slim 1x2 teeth
Forceps Fine Science Tools No. 11251-20 Dumont #5
Hemostats Fine Science Tools No. 13003-10 Hartman
Isolation Unit Grass Instruments S1U5A
Low Noise Bioamplifer World Precision Instruments Order code 74030
Needle holders Fine Science Tools No. 12503-15 With tungsten carbide jaws
Rongeurs Fine Science Tools No. 16021-14 Friedman-Pearson
Scissors Fine Science Tools No. 14101-14 Straight sharp/blunt with large finger loops
Scissors Fine Science Tools No. 14075-11 Curved blunt/blunt
Scissors Fine Science Tools No. 14084-08 Extra fine bonn
Scissors Fine Science Tools No. 15000-00 Straight, ideal for cutting nerves
Stimulator Grass Instruments S88 Dual Output Square Pulse Stimulator

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Burke, R. E., Levine, D. N., Tsairis, P., Zajac, F. E. Physiological types and histochemical profiles in motor units of the cat gastrocnemius. Journal of Physiology. 234, 723-748 (1973).
  2. Celichowski, J., Drzymała-Celichowska, H. The number of motor units in the medial gastrocnemius muscle of male and female rats. Journal of Physiology and Pharmacology. 58, 821-828 (2007).
  3. Grottel, K., Celichowski, J. Division of motor units in medial gastrocnemius muscle of the rat in light of variability of their principal properties. Acta Neurobiologiae Experimentalis. 50, 571-588 (1990).
  4. Celichowski, J., Krutki, P. Variability and plasticity of motor unit properties in mammalian skeletal muscle. Biocybernetics and Biomedical Engineering. 32 (4), 33-45 (2012).
  5. Gardiner, P. F., Olha, A. E. Contractile and electromyographic characteristics of rat plantaris motor unit types during fatigue in situ. Journal of Physiology. 385, 13-34 (1987).
  6. Drzymała-Celichowska, H., Kaczmarek, P., Krutki, P., Celichowski, J. Summation of slow motor unit forces at constant and variable interpulse intervals in rat soleus muscle. Journal of Electromyography and Kinesiology. 30, 1-8 (2016).
  7. Krutki, P., Celichowski, J., Łochyński, D., Pogrzebna, M., Mrówczyński, W. Interspecies differences of motor units properties in the medial gastrocnemius muscle of cat and rat. Archives Italiennes de Biologie. 144, 11-23 (2006).
  8. Burke, R. E., Rudomin, P., Zajac, F. E. The effect of activation history on tension production by individual muscle units. Brain Research. 109, 515-529 (1976).
  9. Celichowski, J. Mechanisms underlying the regulation of motor unit contraction in the skeletal muscle. Journal of Physiology and Pharmacology. 51, 17-33 (2000).
  10. Burke, R. E., Levine, D. N., Salcman, M., Tsairis, P. Motor units in cat soleus muscle: physiological, histochemical and morphological characteristics. Journal of Physiology. 238, 503-514 (1974).
  11. Milner-Brown, H. S., Stein, R. B., Yemm, R. The contractile properties of human motor units during voluntary isometric contractions. Journal of Physiology. 228, 285-306 (1973).
  12. Taylor, A., Stephens, J. A. Study of human motor unit contractions by controlled intramuscular microstimulation. Brain Research. 117, 331-335 (1976).
  13. Westling, G., Johansson, R. S., Thomas, C. K., Bigland-Ritchie, B. Measurement of contractile and electrical properties of single human thenar motor units in response to intraneural motor-axon stimulation. Journal of Neurophysiology. 64, 1331-1338 (1990).
  14. Burke, R. E. Motor units: anatomy, physiology and functional organization. APS Handbook of Physiology Series, Section 1, The Nervous System. 11, part 1, Motor Control 345-422 (1981).
  15. Celichowski, J., Grottel, K. The dependence of the twitch course of medial gastrocnemius muscle of the rat and its motor units on stretching of the muscle. Archives Italiennes de Biologie. 130, 315-325 (1992).
  16. Celichowski, J., Grottel, K., Bichler, E. Differences in the profile of unfused tetani of fast motor units with respect to their resistance to fatigue in the rat medial gastrocnemius muscle. Journal of Muscle Research and Cell Motility. 20, 681-685 (1999).
  17. Krutki, P., et al. Division of motor units into fast and slow on the basis of profile of 20 Hz unfused tetanus. Journal of Physiology and Pharmacology. 59, 353-363 (2008).
  18. Drzymała-Celichowska, H., Krutki, P., Celichowski, J. Summation of motor unit forces in the rat medial gastrocnemius muscle. Journal of Electromyography and Kinesiology. 20, 599-607 (2010).
  19. Kaczmarek, P., Celichowski, J., Drzymała-Celichowska, H., Kasiński, A. The image of motor unit architecture in the mechanomyographic signal during single motor unit contraction. In vivo and simulation study. Journal of Electromyography and Kinesiology. 19, 553-563 (2009).
  20. Celichowski, J., Krutki, P., Bichler, E. Axonal conduction velocity of motor units of rat's medial gastrocnemius muscle. Journal of Physiology (Paris). 90, 75-78 (1996).

Tags

מדעי המוח גיליון 166 יחידת מנוע שריר השלד גסטרוקנמיוס שורשים גחונים אלקטרופיזיולוגיה חולדה
בידוד פונקציונלי של יחידות מנוע יחיד של שריר גסטרו-קסטרונומיוס חולדה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Drzymała-Celichowska, H.,… More

Drzymała-Celichowska, H., Celichowski, J. Functional Isolation of Single Motor Units of Rat Medial Gastrocnemius Muscle. J. Vis. Exp. (166), e61614, doi:10.3791/61614 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter