Funktionel isolering af enkeltmotoriske enheder af Rotte Mediale Gastrocnemius Muskel
Summary
Denne metode gør det muligt at registrere kraften af spjæt og taftiske sammentrækninger og handling potentialer i tre typer af motoriske enheder i rotte mediale gastrocnemius muskel. Den funktionelle isolering af en enkelt motorenhed er induceret ved elektrisk stimulering af axon.
Abstract
Dette arbejde skitserer funktionel isolering af motorenheder (MUs), en standard elektrofysiologisk metode til bestemmelse af karakteristika af motorenheder i hindlimb muskler (såsom den mediale gastrocnemius, soleus, eller plantaris muskel) i eksperimentelle rotter. Et afgørende element i metoden er anvendelsen af elektriske stimuli leveret til en motorakson isoleret fra ventrale rod. Stimuli kan leveres med konstante eller variable inter-pulse intervaller. Denne metode er velegnet til dyreforsøg i forskellige moderled (unge, voksne eller gamle). Desuden kan denne protokol anvendes til forsøg, der undersøger variabilitet og plasticitet af motorenheder fremkaldt af et stort spektrum af interventioner. Resultaterne af disse eksperimenter kan både øge grundlæggende viden i muskelfysiologi og omsættes til praktiske anvendelser. Denne procedure fokuserer på det kirurgiske præparat til registrering og stimulering af mennesker, med vægt på de nødvendige skridt til at opnå forberedelsestabilitet og reproducerbarhed af resultater.
Introduction
Motorenheder (MUs) er de mindste funktionelle enheder af skeletmuskulatur. Derfor, forstå deres funktion, plasticitet og kontraktile egenskaber, samt mekanismerne i deres kraft regulering, er afgørende for fremskridt i muskelfysiologi. De grundlæggende kontraktile egenskaber af de amerikanske og deres fysiologiske typer er blevet dokumenteret for mange muskler, overvejende hindlimb muskler i forsøgsdyr. Men både plasticiteten af MU-egenskaberne og mekanismerne i REGULERINGen af MU-kraften er stadig ikke fuldt forstået.
Princippet om den beskrevne metode er omfattende denervation af baglimb muskler undtagen den undersøgte en og laminectomy på lændehvirvlerne med henblik på at forberede tynde ventrale rodk, hver indeholder en enkelt “funktionel” motor axon, stimuleret elektrisk til at registrere kraft og virkning potentiale mu. Ved hjælp af den teknik, der er beskrevet i dette papir, er det muligt at isolere mere end halvdelen af de mus af den mediale gastrocnemius muskel i et vellykket eksperiment. Den rotte mediale gastrocnemius består i gennemsnit 52 MUs (hunner) eller 57 MUs (hanner) af tre fysiologiske typer: S (langsom), FR (hurtigt resistente) og FF (hurtig fatigable)1,2, og har variabel kontraktile egenskaber3. For forsøg, der sammenligner middelværdier for grænseværdier i kontrol- og forsøgsgrupperne, er det nødvendigt at isolere og registrere 10-30 ME for hver af disse grupper. Kritisk, individuelle 8’er kan være tilgængelige for stimulation for tidsperioder over en time. Da denne teknik desuden giver mulighed for at registrere både MU kraft og handling potentialer, denne metode er egnet til at studere fænomener i forbindelse med kraftproduktion, vurdere effekten af træthed, og observere forholdet mellem kraft og virkning potentialer.
Tidligere undersøgelser har bekræftet, at MU kontraktile egenskaber er plast og kan moduleres af talrige interventioner. Eksperimenter ved hjælp af denteknik,der er beskrevet her er blevet udført på rotte mediale gastrocnemius4 eller andre hindlimb muskler af rotten5,6 samt på kat muskler 7 , ved hjælp af enlignendemetode til enkelt MU isolation. En anden række forsøg med stimulitog leveret med variable interpulsintervaller gav observationer vedrørende motorstyringsprocesser, og resultaterne generelt er opmærksomme på stimuleringshistorien, herunder betydelige virkninger af en ændring i tidsskalaen for blot én stimulus, der er afgørende forkraftproduktionen 8,9.
MUs kan også undersøges ved hjælp af alternative metoder. For det første er en metode direkte stimulering af motoneuroner. Burke anvendte intracellulær stimulering af motoneuroner i katte mediale gastrocnemius og soleus med glasmilektroder, der anvendes parallelt til at bestemme de elektrofysiologiske egenskaber af disse neuroner1,10. Andre metoder er blevet foreslået at studere MUs i menneskelige muskler, som kræver betydeligt lavere intervention. For alle disse metoder indsættes de stimulerende og indspilningselektroder ind i musklen eller nerven, og kraft registreres fra fingeren eller fra foden. Den første af disse metoder blev brugt til at studere MUs i den første dorsale interosseous muskel. For denne muskel, ordregivende med en lav kraft, i elektromyogram registreret med nålen elektrode indsat i musklen aktionspotentialerne for kun én aktiv motorenhed blev identificeret. Så fragmenter af en muskel kraft registreres parallelt og efter hver handling potentiale blev gennemsnit (spike-udløst gennemsnit). Denne metode gør det muligt at udyre kraften fra en motorenhed fra muskelkraften11. Den metodologiske svaghed ved denne procedure er imidlertid, at der ikke blev foretaget nogen enkelt spjætkraft, men snarere fragmenter af taftiske sammentrækninger. Humane MUs kan også undersøges ved hjælp af den anden metode til intramuskulær elektrisk mikrostimulation ved hjælp af en elektrode indsat i musklen12, som stimulerer et fragment af et axonaltræ, hvilket fører til aktivering af en enkelt motorenhed. Den tredje metode er mikrostimulation med en elektrode indsat i nerven. Når elektroden kun aktiverer én motorakson i nerven, er der kun én motorenhed, der indgår13. Disse sidste metoder har visse begrænsninger, herunder stabilitet og kvalitet af optagelsen, etiske begrænsninger og adgang til det eksperimentelle materiale. Denne protokol har været flittigt brugt hos katte i 70’erne og 80’erne14.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hvis det udføres korrekt af erfarne forskere, skal den kirurgiske komponent i den beskrevne protokol være afsluttet inden for cirka to timer. Man bør være særlig opmærksom på at opretholde stabile fysiologiske forhold for dyret under operationen, især kropstemperatur og dybde af anæstesi, som bør systematisk kontrolleres ved at vurdere pinna og tilbagetrækning reflekser. Efter operationen bør det være muligt at opretholde stabile registreringsforhold i mindst seks timer.
Den afgø…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af det polske nationale forskningscenters legat 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).
