Funksjonell isolering av enkeltmotorenheter av rotte Medial Gastrocnemius Muskel
Summary
Denne metoden tillater registrering av kraften av twitch og tetanic sammentrekninger og virkningspotensialer i tre typer motorenheter i rottemedisineringsgasmeksiukkelen. Den funksjonelle isolasjonen av en enkelt motorenhet induseres av elektrisk stimulering av akson.
Abstract
Dette arbeidet skisserer funksjonell isolering av motorenheter (MUs), en standard elektrofysologisk metode for å bestemme egenskapene til motorenheter i hindlimb muskler (som mediale gastrocnemius, soleus, eller plantaris muskel) i eksperimentelle rotter. Et avgjørende element i metoden er anvendelsen av elektriske stimuli levert til en motorakson isolert fra ventral roten. Stimuli kan leveres med konstante eller variable interpulsintervaller. Denne metoden er egnet for eksperimenter på dyr i ulike stadier av modenhet (ung, voksen eller gammel). Videre kan denne protokollen brukes i eksperimenter som studerer variasjon og plastisitet av motorenheter fremkalt av et stort spekter av intervensjoner. Resultatene av disse eksperimentene kan både øke grunnleggende kunnskap i muskelfysiologi og oversettes til praktiske applikasjoner. Denne prosedyren fokuserer på kirurgisk forberedelse for registrering og stimulering av MUs, med vekt på de nødvendige trinnene for å oppnå forberedelsestabilitet og reproduserbarhet av resultater.
Introduction
Motorenheter (MUs) er de minste funksjonelle enhetene i skjelettmuskulaturen. Derfor er det avgjørende for fremgang i muskelfysiologi å forstå deres funksjon, plastisitet og kontraktile egenskaper, samt mekanismene for deres kraftregulering. De grunnleggende kontraktile egenskapene til MUs og proporsjonene av deres fysiologiske typer har blitt dokumentert for mange muskler, hovedsakelig baklimb musklene i eksperimentelle dyr. Imidlertid er både plastisiteten til MU-egenskaper og mekanismene for MU-kraftregulering fortsatt ikke fullt ut forstått.
Prinsippet om den beskrevne metoden er omfattende denervasjon av baklimb musklene unntatt den undersøkte en og laminektomi på lumbale ryggvirvler for å forberede tynne ventrale rootlets, hver og en som inneholder en enkelt “funksjonell” motorakson, stimulert elektrisk for å registrere kraften og virkningspotensialet til MU. Ved hjelp av teknikken som er beskrevet i dette papiret, er det mulig å isolere mer enn halvparten av MUs av den mediale gastrocnemius muskelen i et vellykket eksperiment. Rottemedisineren gastrocnemius består i gjennomsnitt av 52 MUs (kvinner) eller 57 MUs (menn) av tre fysiologiske typer: S (sakte), FR (rask motstandsdyktig) og FF (rask fatigable)1,2,og har variable kontraktile egenskaper3. For eksperimenter som sammenligner gjennomsnittsverdier for MUer i kontroll- og eksperimentelle grupper, er isolasjon og registrering av 10-30 MUs for hver av disse gruppene nødvendig. Kritisk kan individuelle MUer være tilgjengelige for stimulering i tidsperioder som overstiger en time. Videre, siden denne teknikken gjør det mulig å registrere både MU-kraft- og virkningspotensialer, er denne metoden egnet for å studere fenomener forbundet med kraftproduksjon, vurdere effekten av tretthet og observere forholdet mellom kraft- og virkningspotensialer.
Tidligere studier har bekreftet at MU kontraktile egenskaper er plast og kan moduleres av mange intervensjoner. Eksperimenter ved hjelp av teknikken beskrevet her har blitt utført på rottemedisinering gastrocnemius4 eller andre hindlimb muskler hos rotte5,6 samtpå kattemuskler7, ved hjelp av en lignende metode for enkelt MU-isolasjon. En annen serie eksperimenter ved hjelp av tog av stimuli levert med variable inter-puls intervaller gitt observasjoner om motorkontrollprosesser, og resultatene generelt slå oppmerksomhet til historien om stimulering, inkludert betydelige effekter av et skifte i tidsskalaen på enda en stimulans, avgjørende forkraftproduksjon 8,9.
MUs kan også studeres ved hjelp av alternative metoder. For det første er en metode direkte stimulering av motoneuroner. Burke brukte intracellulær stimulering av motoneuroner i kattemedisiner gastrocnemius og soleus med glassmikroelektroder som brukes parallelt for å bestemme de elektrofysiologiske egenskapene til dissenevronene 1,10. Andre metoder har blitt foreslått å studere MUs i menneskelige muskler, som krever betydelig lavere intervensjon. For alle disse metodene settes stimulerende og registrerer elektroder inn i muskelen eller nerven, og kraften registreres fra fingeren eller fra foten. Den første av disse metodene ble brukt til å studere MUs i den første dorsale interosseøse muskelen. For denne muskelen, kontrahering med en lav kraft, i elektromyogram registrert med nåleelektroden satt inn i muskelen, ble virkningspotensialet til bare en aktiv motorenhet identifisert. Deretter fragmenter av en muskel kraft registrert parallelt og etter hver handling potensial ble gjennomsnitt (spike-utløst snitt). Denne metoden muliggjør ekstraksjon av kraften til en motorenhet fra muskelkraftopptaket11. Imidlertid er den metodiske svakheten ved denne prosedyren at ingen enkelt twitch kraft, men heller fragmenter av tetanic sammentrekninger ble gjennomsnittlig. Humane MUer kan også studeres ved hjelp av den andre metoden for intramuskulær elektrisk mikrostimulering ved hjelp av en elektrode satt inn imuskelen 12, noe som stimulerer et fragment av et aksonalt tre, noe som fører til aktivering av en enkelt motorenhet. Den tredje metoden er mikrostimulering med en elektrode satt inn i nerven. Når elektroden aktiverer bare en motorakson i nerven, er det bare én motorenhet som trekkerseg sammen 13. Disse siste metodene har noen begrensninger, inkludert stabilitet og kvalitet på opptaket, etiske restriksjoner og tilgang til eksperimentelt materiale. Denne protokollen har blitt mye brukt i katter på 70- og 80-tallet14.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hvis den utføres riktig av erfarne forskere, bør den kirurgiske komponenten i den beskrevne protokollen fullføres innen omtrent to timer. Man bør være spesielt forsiktig med å opprettholde stabile fysiologiske forhold til dyret under operasjonen, spesielt kroppstemperatur og dybde av anestesi, som systematisk bør kontrolleres ved å vurdere pinna og abstinensreflekser. Etter operasjonen bør det være mulig å opprettholde stabile opptaksforhold i minst seks timer.
Den avgjørende ekspe…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Det polske nasjonale forskningssenteret 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 |
Riferimenti
- 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).
