"Avatar", un ciclo di lavoro ex vivo modificato che utilizza la tensione e l'attivazione in vivo

Caitlin Bemis; Kiisa Nishikawa

doi:10.3791/65610

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Articolo metodologico

"Avatar", un ciclo di lavoro ex vivo modificato che utilizza la tensione e l'attivazione in vivo

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DOI:

10.3791/65610

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18 agosto 2023

Caitlin Bemis¹ , Kiisa Nishikawa¹

¹Northern Arizona University

In questo articolo

Sommario

Questo articolo descrive in dettaglio la metodologia per emulare la produzione di forza muscolare in vivo durante esperimenti di ciclo di lavoro ex vivo utilizzando un muscolo "avatar" di un roditore di laboratorio per valutare i contributi dei transitori di deformazione e l'attivazione alla risposta della forza muscolare.

Abstract

I comportamenti di movimento sono caratteristiche emergenti dei sistemi dinamici che derivano dalla produzione di forza muscolare e dall'output di lavoro. L'interazione tra sistemi neurali e meccanici avviene contemporaneamente a tutti i livelli dell'organizzazione biologica, dalla regolazione delle proprietà muscolari delle gambe durante la corsa alla dinamica degli arti che interagiscono con il suolo. Comprendere le condizioni in cui gli animali spostano le loro strategie di controllo neurale verso la meccanica muscolare intrinseca ("preflessi") nella gerarchia di controllo consentirebbe ai modelli muscolari di prevedere la forza muscolare in vivo e lavorare in modo più accurato. Per comprendere la meccanica muscolare in vivo, è necessario studiare ex vivo la forza muscolare e lavorare in condizioni di sforzo e carico dinamicamente variabili simili alla locomozione in vivo. Le traiettorie di deformazione in vivo mostrano tipicamente cambiamenti bruschi (cioè transitori di deformazione e velocità) che derivano da interazioni tra attivazione neurale, cinematica muscoloscheletrica e carichi applicati dall'ambiente. L'obiettivo principale della nostra tecnica "avatar" è quello di studiare come funzionano i muscoli durante bruschi cambiamenti nella velocità di deformazione e nel carico, quando il contributo delle proprietà meccaniche intrinseche alla produzione di forza muscolare può essere più alto. Nella tecnica "avatar", l'approccio tradizionale del ciclo di lavoro viene modificato utilizzando traiettorie di deformazione misurate in vivo e segnali elettromiografici (EMG) dagli animali durante i movimenti dinamici per guidare i muscoli ex vivo attraverso più cicli di allungamento-accorciamento. Questo approccio è simile alla tecnica del ciclo di lavoro, tranne per il fatto che le traiettorie di deformazione in vivo sono scalate in modo appropriato e imposte ai muscoli del topo ex vivo collegati a un servomotore. Questa tecnica consente di: (1) emulare in vivo i modelli di deformazione, attivazione, frequenza del passo e ciclo di lavoro; (2) variare questi modelli per abbinare le risposte della forza in vivo nel modo più accurato; e (3) variare le caratteristiche specifiche della deformazione e/o dell'attivazione in combinazioni controllate per testare ipotesi meccanicistiche.

Introduzione

Gli animali in movimento raggiungono impressionanti imprese atletiche di resistenza, velocità e agilità in ambienti complessi. La locomozione animale è particolarmente impressionante in contrasto con le macchine progettate dall'uomo: la stabilità e l'agilità dei robot, delle protesi e degli esoscheletri con le zampe attuali rimangono scarse rispetto agli animali. La locomozione a zampe in terreni naturali richiede un controllo preciso e regolazioni rapide per modificare la velocità e manovrare le caratteristiche ambientali che agiscono come perturbazioni impreviste¹^,²^,³^,....