Функциональная изоляция однодвигательных агрегатов крысиных медиальных мышц гастроконемиуса
Summary
Этот метод позволяет записывать силу подергивания и тетаничных сокращений и потенциалов действия в трех типах моторных агрегатов в крысиной медиальной мышце гастроконемиуса. Функциональная изоляция одного моторного агрегата вызвана электрической стимуляцией аксона.
Abstract
В этой работе излагается функциональная изоляция моторных агрегатов (МУ), стандартный электрофизиологический метод определения характеристик моторных агрегатов в мышцах заднего мозга (таких как медиальный гастрокнеймиус, подошва или подошва мышц) у экспериментальных крыс. Ключевым элементом метода является применение электрических стимулов, поставляемых в моторный аксон, изолированный от брюшного корня. Стимулы могут быть доставлены с постоянными или переменными межимпульсными интервалами. Этот метод подходит для экспериментов на животных на разных стадиях зрелости (молодых, взрослых или старых). Кроме того, этот протокол может быть использован в экспериментах по изучению изменчивости и пластичности моторных агрегатов, вызванных большим спектром вмешательств. Результаты этих экспериментов могут как увеличить базовые знания в области физиологии мышц и быть переведены в практическое применение. Эта процедура фокусируется на хирургической подготовке для записи и стимуляции MUs, с акцентом на необходимые шаги для достижения стабильности подготовки и воспроизводимости результатов.
Introduction
Моторные агрегаты (МУ) являются самыми маленькими функциональными единицами скелетных мышц. Поэтому понимание их функции, пластичности и контрактильные свойства, а также механизмы их силового регулирования имеют решающее значение для прогресса в мышечной физиологии. Основные контрактильные свойства MUs и пропорции их физиологических типов были задокументированы для многочисленных мышц, преимущественно мышц задней части тела у экспериментальных животных. Однако и пластичность свойств MU, и механизмы силового регулирования MU до сих пор до конца не поняты.
Принцип описанного метода является обширная денервация мышц задней конечности, за исключением исследованных один и ламинэктомии на поясничных позвонков для того, чтобы подготовить тонкие желудочные корни, каждый из которых содержит один “функциональный” моторный аксон, стимулировали электрически для записи силы и действия потенциала МУ. Используя технику, описанную в этой работе, можно изолировать более половины MUs медиальной мышцы гастрокнеймиуса в успешном эксперименте. Крыса медиальной gastrocnemius состоит в среднем из 52 MUs (женщины) или 57 MUs (мужчины) из трех физиологических типов: S (медленно), FR (быстро устойчивый) и FF (быстрый жир)1,2, и имеют переменные контрактильныесвойства 3. Для экспериментов, сравнивающих средние значения для МУ в контрольных и экспериментальных группах, необходима изоляция и запись 10-30 МУ для каждой из этих групп. Критически, индивидуальные MUs могут быть доступны для стимуляции для периодов времени превышая один час. Кроме того, поскольку этот метод позволяет записывать как силу MU, так и потенциал действия, этот метод подходит для изучения явлений, связанных с силовым производством, оценки эффекта усталости и наблюдения за взаимосвязью между силой и потенциалом действия.
Предыдущие исследования подтвердили, что МУ контрактильные свойства пластичные и могут модулироваться многочисленными вмешательствами. Эксперименты с использованием техники, описанной здесь были выполнены на крысы медиальной gastrocnemius4 или других мышц заднегоконечностей крысы 5,6, а также на кошачьихмышц 7, используя аналогичный метод одной изоляции MU. Другая серия экспериментов с использованием поездов стимулов, поставляемых с переменными межимпульсными интервалами, обеспечила наблюдения относительно процессов управления двигателем, и результаты в целом обращают внимание наисториюстимуляции, включая значительные последствия сдвига во времени шкалы даже одного стимула, решающее значениедля силового производства 8,9.
MUs также могут быть изучены с использованием альтернативных методов. Во-первых, одним из методов является прямая стимуляция мотонейронов. Берк использовал внутриклеточную стимуляцию мотонейронов у кошачьего медиального гастрокневиуса и подошвы со стеклянными микроэлектродами, используемыми параллельно для определения электрофизиологических свойствэтих нейронов 1,10. Другие методы были предложены для изучения MUs в мышцах человека, которые требуют значительно более низкого вмешательства. Для всех этих методов, стимулирующие и записи электродов вставляются в мышцы или нервы, и сила записывается из пальца или с ноги. Первый из этих методов был использован для изучения MUs в первой спинной interosseous мышцы. Для этой мышцы, заразив с низкой силой, в электромиограмме, записанной с помощью электрода иглы, вставленного в мышцу, были выявлены потенциалы действия только одного активного моторного агрегата. Затем фрагменты мышечной силы, записанные параллельно и после каждого действия потенциал были усреднены (шип-срабатывает усреднение). Этот метод позволяет извлечения силы одного моторного блока из мышечной силы записи11. Однако методологическая слабость этой процедуры заключается в том, что ни одна сила подергивания, а скорее фрагменты тетаничных сокращений были усреднено. Человеческие MUs также могут быть изучены с помощью второго метода внутримышечной электрической микростимуляции с помощьюэлектрода, вставленного в мышцу 12, который стимулирует фрагмент аксонального дерева, что приводит к активации одного моторного блока. Третий метод – микростимуляция с вставленным в нерв электродом. Когда электрод активирует только один моторный аксон в нерве, только один моторный блок контракты13. Эти последние методы имеют некоторые ограничения, включая стабильность и качество записи, этические ограничения и доступ к экспериментальному материалу. Этот протокол широко используется у кошек в 70-х и 80-х14.
Protocol
Representative Results
Discussion
При правильном исполнении опытными учеными хирургический компонент описанного протокола должен быть завершен в течение примерно двух часов. Особо следует позаботиться о поддержании стабильных физиологических условий животного во время операции, в частности температуры тела и глуби…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана грантом Польского национального исследовательского центра 2018/31/B/N’7/01028.
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).
