العزل الوظيفي للوحدات الحركية واحدة من الجرذ ميديال Gastrocnemius العضلات
Summary
هذه الطريقة تسمح بتسجيل قوة الارتعاش والتقلصات tetanic و إمكانية العمل في ثلاثة أنواع من وحدات المحركات في العضلات المعدية الجرذان. يتم تحفيز العزل الوظيفي لوحدة محرك واحد عن طريق التحفيز الكهربائي لمحور عصبي.
Abstract
يحدد هذا العمل العزل الوظيفي للوحدات الحركية (MUs)، وهي طريقة كهربية قياسية لتحديد خصائص الوحدات الحركية في عضلات hindlimb (مثل عضلات الجهاز الهضمي الوسيط، soleus، أو العضلات النباتية) في الفئران التجريبية. عنصر حاسم في هذه الطريقة هو تطبيق المحفزات الكهربائية التي يتم تسليمها إلى محور المحرك المعزول عن الجذر البطني. ويمكن تقديم المحفزات على فترات ثابتة أو متغيرة بين النبضات. هذه الطريقة مناسبة للتجارب على الحيوانات في مراحل مختلفة من النضج (الشباب والكبار أو كبار السن). وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام هذا البروتوكول في التجارب التي تدرس التباين واللدونة من وحدات المحركات التي أثارها مجموعة كبيرة من التدخلات. نتائج هذه التجارب قد زيادة المعرفة الأساسية في علم وظائف الأعضاء العضلية و ترجمتها إلى تطبيقات عملية. يركز هذا الإجراء على التحضير الجراحي لتسجيل وتحفيز وحدات MUs ، مع التركيز على الخطوات اللازمة لتحقيق استقرار الاستعداد و إعادة إنتاج النتائج.
Introduction
وحدات المحرك (MUs) هي أصغر وحدات وظيفية من العضلات الهيكل العظمي. ولذلك، فهم وظيفتها، واللدونة وخصائص انقبالية، فضلا عن آليات تنظيم قوتها، أمر بالغ الأهمية للتقدم في فسيولوجيا العضلات. وقد تم توثيق الخصائص العقدية الأساسية للمقويات ونسب أنواعها الفسيولوجية للعديد من العضلات ، والعضلات في الغالب hindlimb في الحيوانات التجريبية. ومع ذلك ، فإن كل من اللدونة من خصائص MU وآليات تنظيم قوة MU لا تزال غير مفهومة تماما.
مبدأ الأسلوب الموصوف هو denervation واسعة النطاق من العضلات hindlimb باستثناء واحد التحقيق واستئصال لامينك في الفقرات القطنية من أجل إعداد الجذور البطينية رقيقة، كل واحد يحتوي على واحد “وظيفية” محور المحرك، حفز كهربائيا لتسجيل القوة و الحركة المحتملة من MU. باستخدام تقنية الموصوفة في هذه الورقة، فمن الممكن لعزل أكثر من نصف MUs من العضلات المعدية في تجربة ناجحة. وتتألف الفئران وسط gastrocnemius من متوسط 52 MUs (الإناث) أو 57 MUs (الذكور) من ثلاثة أنواع فسيولوجية: S (بطيئة)، FR (مقاومة سريعة) وFF (fatigable سريع)1،2، ولها خصائص العقد متغير3. بالنسبة للتجارب التي تقارن القيم المتوسطة لـ MUs في مجموعات التحكم والتجريبي، فإن عزل وتسجيل وحدات MUs من 10 إلى 30 لكل مجموعة من هذه المجموعات ضروريان. بشكل حاسم، قد تكون وحدات MUs الفردية متاحة للتحفيز لفترات زمنية تتجاوز ساعة واحدة. وعلاوة على ذلك، بما أن هذه التقنية تسمح بتسجيل كل من قوة MU وإمكانات العمل، فإن هذه الطريقة مناسبة لدراسة الظواهر المرتبطة بإنتاج القوة، وتقييم تأثير التعب، ومراقبة العلاقة بين القوة وإمكانات العمل.
وقد أكدت الدراسات السابقة أن خصائص التقلص MU هي من البلاستيك ويمكن تحويرها من خلال العديد من التدخلات. وقد أجريت التجارب باستخدام تقنية وصفها هنا على الفئران ميديال gastrocnemius4 أو غيرها من عضلات hindlimb من الفئران5,6 وكذلك على عضلات القط7, باستخدام طريقة مماثلة لعزلة MU واحد. وقدمت سلسلة أخرى من التجارب باستخدام قطارات المحفزات التي تم تسليمها في فترات متغيرة بين النبضات ملاحظات تتعلق بعمليات التحكم في المحركات ، وتتحول النتائج بشكل عام الانتباه إلى تاريخ التحفيز ، بما في ذلك تأثيرات كبيرة من تحول في المقياس الزمني حتى من حافز واحد ، حاسم لإنتاج القوة8،9.
ويمكن أيضا دراسة وحدات ال MUs باستخدام طرق بديلة. أولاً، إحدى الطرق هي التحفيز المباشر للmotoneurons. استخدم بيرك التحفيز داخل الخلايا من التورون في cat medial gastrocnemius و soleus مع microelectrodes الزجاج المستخدمة بالتوازي لتحديد الخصائص الكهربائية لهذه الخلايا العصبية1,10. وقد اقترحت أساليب أخرى لدراسة MUs في العضلات البشرية، والتي تتطلب تدخل أقل بكثير. لجميع هذه الطرق، يتم إدخال أقطاب تحفيز وتسجيلات في العضلات أو العصب، ويتم تسجيل القوة من الإصبع أو من القدم. وقد استخدمت أول هذه الأساليب لدراسة MUs في أول عضلة بين السوسية الظهرية. لهذه العضلة، التعاقد مع قوة منخفضة، في electromyogram سجلت مع القطب إبرة إدراجها في العضلات تم تحديد إمكانات العمل من وحدة المحرك النشطة واحد فقط. ثم تم متوسط شظايا قوة العضلات المسجلة بالتوازي وبعد كل عمل المحتملة (متوسط ارتفاع أثار). هذه الطريقة تمكن من استخراج قوة وحدة محرك واحد من قوة العضلات تسجيل11. ومع ذلك ، فإن الضعف المنهجي لهذا الإجراء هو أنه لم يتم متوسط قوة نشل واحدة بل أجزاء من الانقباضات التيتانية. ويمكن أيضا دراسة MUs الإنسان باستخدام الطريقة الثانية من microstimulation الكهربائية العضلية باستخدام القطب إدراجها في العضلات12، مما يحفز على جزء من شجرة محور عصبي ، مما يؤدي إلى تنشيط وحدة محرك واحد. الطريقة الثالثة هي التحفيز المجهري مع قطب كهربائي إدراجه في العصب. عندما ينشط القطب واحد فقط محور عصبي المحرك في العصب، واحد فقط عقد وحدة المحرك13. هذه الأساليب الأخيرة لديها بعض القيود، بما في ذلك استقرار وجودة التسجيل، والقيود الأخلاقية والوصول إلى المواد التجريبية. وقد استخدم هذا البروتوكول على نطاق واسع في القطط في 70 و 8014.
Protocol
Representative Results
Discussion
إذا كان أداؤها صحيحا من قبل العلماء ذوي الخبرة، ينبغي أن يتم الانتهاء من العنصر الجراحي للبروتوكول الموصوف في غضون ساعتين تقريبا. وينبغي للمرء أن يأخذ عناية خاصة للحفاظ على الظروف الفسيولوجية مستقرة من الحيوان أثناء الجراحة، وخاصة درجة حرارة الجسم وعمق التخدير، والتي ينبغي السيطرة عليه?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعم هذا العمل منحة المركز الوطني للبحوث البولندية 2018/31/B/NZ7/01028.
Materials
| 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 1×2 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- Celichowski, J., Krutki, P. Variability and plasticity of motor unit properties in mammalian skeletal muscle. Biocybernetics and Biomedical Engineering. 32 (4), 33-45 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Celichowski, J. Mechanisms underlying the regulation of motor unit contraction in the skeletal muscle. Journal of Physiology and Pharmacology. 51, 17-33 (2000).
- 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).
- 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).
- Taylor, A., Stephens, J. A. Study of human motor unit contractions by controlled intramuscular microstimulation. Brain Research. 117, 331-335 (1976).
- 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).
- Burke, R. E. Motor units: anatomy, physiology and functional organization. APS Handbook of Physiology Series, Section 1, The Nervous System. 11, 345-422 (1981).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
