Isolement fonctionnel des unités motrices individuelles du muscle gastrocnemius de Rat Medial
Summary
Cette méthode permet l’enregistrement de la force des contractions twitch et tétanos et des potentiels d’action dans trois types d’unités motrices dans le muscle gastrocnemius médial de rat. L’isolement fonctionnel d’une seule unité motrice est induit par la stimulation électrique de l’axon.
Abstract
Ce travail décrit l’isolement fonctionnel des unités motrices (MUs), une méthode électrophysiologique standard pour déterminer les caractéristiques des unités motrices dans les muscles postérieurs (tels que le gastrocnemius médial, soleus, ou muscle plantaris) chez les rats expérimentaux. Un élément crucial de la méthode est l’application de stimuli électriques livrés à un axon moteur isolé de la racine ventrale. Les stimuli peuvent être administrés à intervalles inter-impulsions constants ou variables. Cette méthode convient aux expériences sur des animaux à différents stades de maturité (jeunes, adultes ou vieux). En outre, ce protocole peut être utilisé dans des expériences d’étude de la variabilité et de la plasticité des unités motrices évoquées par un large éventail d’interventions. Les résultats de ces expériences peuvent à la fois augmenter les connaissances de base en physiologie musculaire et être traduits en applications pratiques. Cette procédure se concentre sur la préparation chirurgicale pour l’enregistrement et la stimulation des MUs, en mettant l’accent sur les étapes nécessaires pour atteindre la stabilité de préparation et la reproductibilité des résultats.
Introduction
Les unités motrices (MUs) sont les plus petites unités fonctionnelles des muscles squelettiques. Par conséquent, la compréhension de leur fonction, plasticité et propriétés contractiles, ainsi que les mécanismes de leur régulation de la force, est cruciale pour le progrès dans la physiologie musculaire. Les propriétés contractiles de base des MUs et les proportions de leurs types physiologiques ont été documentées pour de nombreux muscles, principalement les muscles postérieurs chez les animaux expérimentaux. Cependant, la plasticité des propriétés de MU et les mécanismes de régulation de force de MU ne sont toujours pas entièrement compris.
Le principe de la méthode décrite est la dénervation étendue des muscles postérieurs, sauf celui étudié et laminectomy aux vertèbres lombaires afin de préparer les radicelles ventrales minces, chacune contenant un seul axon moteur « fonctionnel », stimulé électriquement pour enregistrer la force et le potentiel d’action de l’MU. En utilisant la technique décrite dans cet article, il est possible d’isoler plus de la moitié des MUs du muscle gastrocnemius médial dans une expérience réussie. Le gastrocnemius médial de rat est composé en moyenne de 52 MUs (femelles) ou 57 MUs (mâles) de trois types physiologiques : S (lent), FR (résistant rapide) et FF (fatigable rapide)1,2, et ont des propriétés contractiles variables3. Pour les expériences comparant les valeurs moyennes des UNITÉS dans les groupes de contrôle et expérimentaux, l’isolement et l’enregistrement de 10 à 30 UNITÉS pour chacun de ces groupes sont nécessaires. De façon critique, les MUs individuels peuvent être accessibles pour la stimulation pendant des périodes dépassant une heure. De plus, comme cette technique permet d’enregistrer à la fois la force mu et les potentiels d’action, cette méthode convient à l’étude des phénomènes associés à la production de force, à l’évaluation de l’effet de la fatigue et à l’observation de la relation entre la force et les potentiels d’action.
Des études antérieures ont confirmé que les propriétés contractiles mu sont en plastique et peuvent être modulées par de nombreuses interventions. Des expériences utilisant la technique décrite ici ont été exécutées sur le gastrocnemius médial de rat4 ou d’autres muscles postérieurs du rat5,6 aussi bien que sur des muscles de chat7,utilisant une méthode semblable d’isolement simple de MU. Une autre série d’expériences utilisant des trains de stimuli livrés à intervalles inter-impulsions variables a fourni des observations concernant les processus de contrôle moteur, et les résultats en général tournent l’attention sur l’histoire de la stimulation, y compris les effets considérables d’un changement d’échelle de temps d’un seul stimulus, crucial pour la production de force8,9.
Les MUs peuvent également être étudiés à l’aide de méthodes alternatives. Premièrement, une méthode est la stimulation directe des motoneurones. Burke a utilisé la stimulation intracellulaire des motoneurones dans le gastrocnemius médial de chat et le soleus avec des microélecrodes en verre utilisées en parallèle pour déterminer les propriétés électrophysiologiques de ces neurones1,10. D’autres méthodes ont été proposées pour étudier les MUs dans les muscles humains, qui nécessitent une intervention considérablement plus faible. Pour toutes ces méthodes, les électrodes stimulantes et d’enregistrements sont insérées dans le muscle ou le nerf, et la force est enregistrée à partir du doigt ou du pied. La première de ces méthodes a été utilisée pour étudier les MUs dans le premier muscle interosseous dorsal. Pour ce muscle, se contractant avec une faible force, dans l’électromyogramme enregistré avec l’électrode d’aiguille insérée dans le muscle les potentiels d’action d’une seule unité motrice active ont été identifiés. Ensuite, les fragments d’une force musculaire enregistrée en parallèle et suivant chaque potentiel d’action ont été mis en moyenne (moyenne déclenchée par pic). Cette méthode permet l’extraction de la force d’une unité motrice de la force musculaire enregistrement11. Cependant, la faiblesse méthodologique de cette procédure est qu’aucune force de secousse simple mais plutôt des fragments des contractions tétanos n’ont été moyens. Les MUs humains peuvent également être étudiés en utilisant la deuxième méthode de microstimulation électrique intramusculaire à l’aide d’une électrode insérée dans le muscle12, qui stimule un fragment d’un arbre axonal, conduisant à l’activation d’une seule unité motrice. La troisième méthode est la microstimulation avec une électrode insérée dans le nerf. Lorsque l’électrode n’active qu’un seul axon moteur dans le nerf, une seule unité motrice secontracte 13. Ces dernières méthodes ont certaines limites, y compris la stabilité et la qualité de l’enregistrement, les restrictions éthiques et l’accès au matériel expérimental. Ce protocole a été largement utilisé chez les chats dans les années 70 et 8014.
Protocol
Representative Results
Discussion
Si elle est effectuée correctement par des scientifiques expérimentés, la composante chirurgicale du protocole décrit devrait être terminée dans un délai d’environ deux heures. Il faut prendre un soin particulier à maintenir des conditions physiologiques stables de l’animal pendant la chirurgie, en particulier la température corporelle et la profondeur de l’anesthésie, qui doit être systématiquement contrôlée par l’évaluation pinna et réflexes de sevrage. Après la chirurgie, il devrait être poss…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux ont été soutenus par la subvention du Centre national polonais de recherche 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).
