בידוד פונקציונלי של יחידות מנוע יחיד של שריר גסטרו-קסטרונומיוס חולדה
Summary
שיטה זו מאפשרת הקלטה של הכוח של התכווצויות עוויתות וטלטוניות ופוטנציאל פעולה בשלושה סוגים של יחידות מנוע בשריר גסטרוקנמיוס חולדה. הבידוד הפונקציונלי של יחידה מוטורית אחת מושרה על ידי גירוי חשמלי של האקסון.
Abstract
עבודה זו מתארת בידוד פונקציונלי של יחידות מנוע (MUs), שיטה אלקטרופיזיולוגית סטנדרטית לקביעת מאפיינים של יחידות מנוע בשרירים האחוריים (כגון גסטרוקנמיוס מדיאלי, סוליה, או plantaris שריר) בחולדות ניסיוניות. מרכיב חיוני בשיטה הוא יישום של גירויים חשמליים מועברים לאקסון מנוע מבודד מהשורש הפתחי. הגירויים עשויים להימסר במרווחי זמן בין-פולסים קבועים או משתנים. שיטה זו מתאימה לניסויים בבעלי חיים בשלבי בגרות שונים (צעירים, מבוגרים או מבוגרים). יתר על כן, פרוטוקול זה יכול לשמש בניסויים ללמוד השתנות ו פלסטיות של יחידות מנוע ים עורר על ידי קשת גדולה של התערבויות. התוצאות של ניסויים אלה עשויים גם להגדיל את הידע הבסיסי בפיזיולוגיה שרירים ולהיות מתורגם ליישומים מעשיים. הליך זה מתמקד בהכנה הכירורגית להקלטה וגירוי של MUs, עם דגש על הצעדים הדרושים כדי להשיג יציבות הכנה ושחזור של תוצאות.
Introduction
יחידות מנוע (MUs) הן היחידות הפונקציונליות הקטנות ביותר של שרירי השלד. לכן, הבנת הפונקציה שלהם, פלסטיות ומאפיינים כיווץ, כמו גם את המנגנונים של ויסות הכוח שלהם, הוא חיוני להתקדמות בפיזיולוגיה שריר. המאפיינים ההתכווצות הבסיסיים של MUs ואת הפרופורציות של הסוגים הפיזיולוגיים שלהם תועדו עבור שרירים רבים, בעיקר השרירים האחוריים בבעלי חיים ניסיוניים. עם זאת, הן הפלסטיות של מאפייני MU ואת המנגנונים של ויסות כוח MU עדיין לא מובן במלואו.
העיקרון של השיטה המתוארת הוא השפלה נרחבת של שרירי הבטן למעט אחד נחקר כריתת למינקטום על חוליות המותניים על מנת להכין rootlets גחמני דק, כל אחד המכיל אחד “פונקציונלי” axon מנוע, מגורה חשמלית כדי להקליט את הכוח ואת פוטנציאל הפעולה של MU. באמצעות הטכניקה המתוארת במאמר זה, ניתן לבודד יותר ממחצית ההונו-ם של שריר גסטרו-קסטרונומיוס מדיאלי בניסוי מוצלח. גסטרוקנמיוס חולדה מדיאלי מורכב בממוצע 52 MUs (נקבות) או 57 MUs (זכרים) של שלושה סוגים פיזיולוגיים: S (איטי), FR (עמיד מהר) ו FF (ניתן לשומן מהיר)1,2,וישלהםתכונות התכווצות משתנה3. עבור ניסויים השוואת ערכי ממוצע עבור MUs בקבוצות בקרה וניסיוני, בידוד והקלטה של 10-30 MUs עבור כל אחת מקבוצות אלה נחוצים. באופן קריטי, תותבי משתמשים בודדים עשויים להיות נגישים לגירוי לפרקי זמן העולים על שעה אחת. יתר על כן, מאז טכניקה זו מאפשרת להקליט הן כוח MU ופוטנציאל פעולה, שיטה זו מתאימה ללימוד תופעות הקשורות לייצור כוח, הערכת ההשפעה של עייפות, והתבוננות ביחסים בין הכוח ופוטנציאל פעולה.
מחקרים קודמים אישרו כי MU מאפייני התכווצות הם פלסטיק, עשוי להיות מאופנן על ידי התערבויות רבות. ניסויים בטכניקה המתוארת כאן בוצעו על חולדה medial gastrocnemius4 או אחרים שרירי אחורי שלחולדה 5,6, כמו גם על שרירי חתול 7 ,בשיטהדומה של בידוד MU יחיד. סדרה נוספת של ניסויים באמצעות רכבות של גירויים נמסר במרווחי זמן בין-פולסים משתנים סיפק תצפיות לגבי תהליכי בקרה מוטורית, ואת התוצאות באופן כללי להפנות את תשומת הלב להיסטוריה של גירוי, כולל השפעות ניכרות של שינוי בקנה מידה הזמן של אפילו גירוי אחד, חיונילייצור כוח 8,9.
ניתן גם ללמוד שיטות דרכים חלופיות באמצעות שיטות חלופיות. ראשית, שיטה אחת היא גירוי ישיר של motoneurons. בורק השתמש בגירוי תאי של motoneurons בחתולים גסטרוקנמיוס ו סוליות עם מיקרואלקטרודות זכוכית המשמשות במקביל כדי לקבוע את המאפיינים האלקטרופיזיולוגיים שלנוירונים אלה 1,10. שיטות אחרות הוצעו ללמוד MUs בשרירים אנושיים, אשר דורשים התערבות נמוכה באופן משמעותי. עבור כל שיטות אלה, אלקטרודות מגרה והקלטות מוכנסים לתוך השריר או העצב, ואת הכוח נרשם מן האצבע או מן הרגל. הראשונה של שיטות אלה שימשה כדי ללמוד MUs בשריר הבין-תאי גב הראשון. עבור שריר זה, מתכווץ עם כוח נמוך, באלקטרומיוגרמה נרשם עם אלקטרודה מחט מוכנס לתוך השריר את פוטנציאל הפעולה של יחידה מוטורית פעילה אחת בלבד זוהו. לאחר מכן הרסיסים של כוח שריר נרשם במקביל ובעקבות כל פוטנציאל פעולה היו בממוצע (ספייק מופעל בממוצע). שיטה זו מאפשרת חילוץ של הכוח של יחידה מוטורית אחת משריר כוח השריר11. עם זאת, החולשה המתודולוגית של הליך זה היא כי אין כוח עווית אחד אלא שברים של התכווצויות טטינית היו בממוצע. ניתן גם ללמוד שיטות קוסמות אנושיות בשיטה השנייה של גירוי חשמלי תוך שרירי באמצעות אלקטרודההמוכנסת לשריר 12, המעוררת שבר של עץ סקסוני, המוביל להפעלה של יחידה מוטורית אחת. השיטה השלישית היא גירוי זעיר עם אלקטרודה מוכנסת לתוך העצב. כאשר האלקטרודה מפעילה רק אקסון מנוע אחד בעצב, רק יחידת מנוע אחת חוזה13. לשיטות האחרונות יש כמה מגבלות, כולל יציבות ואיכות ההקלטה, הגבלות אתיות וגישה לחומר הניסיוני. פרוטוקול זה נעשה שימוש נרחב בחתולים בשנות ה-70 וה-80וה-14.
Protocol
Representative Results
Discussion
אם מבוצע כראוי על ידי מדענים מנוסים, הרכיב הכירורגי של הפרוטוקול המתואר צריך להסתיים בתוך כשעתיים. יש לנקוט טיפול מיוחד כדי לשמור על מצבים פיזיולוגיים יציבים של בעל החיים במהלך הניתוח, במיוחד טמפרטורת הגוף ועומק של הרדמה, אשר צריך להיות נשלט באופן שיטתי על ידי הערכת פינה רפלקסים גמילה. לאח…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מענק מרכז המחקר הלאומי הפולני 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).
