Aislamiento funcional de unidades de motor único de Rat Medial Gastrocnemius Muscle
Summary
Este método permite el registro de la fuerza de contracciones de contracción y tetánicas y potencial de acción en tres tipos de unidades motoras en el músculo gastrocnemius medial de rata. El aislamiento funcional de una sola unidad de motor es inducido por la estimulación eléctrica del axón.
Abstract
Este trabajo describe el aislamiento funcional de las unidades motoras (MUs), un método electrofisiológico estándar para determinar las características de las unidades motoras en los músculos de las extremidades posteriores (como el gastrocnemius medial, el soleus o el músculo plantaris) en ratas experimentales. Un elemento crucial del método es la aplicación de estímulos eléctricos entregados a un axón motor aislado de la raíz ventral. Los estímulos pueden entregarse a intervalos de inter-pulsos constantes o variables. Este método es adecuado para experimentos en animales en diferentes etapas de madurez (jóvenes, adultos o ancianos). Además, este protocolo se puede utilizar en experimentos que estudian la variabilidad y plasticidad de las unidades motoras evocadas por un amplio espectro de intervenciones. Los resultados de estos experimentos pueden aumentar el conocimiento básico en fisiología muscular y traducirse en aplicaciones prácticas. Este procedimiento se centra en la preparación quirúrgica para el registro y estimulación de MUs, con énfasis en los pasos necesarios para lograr la estabilidad de la preparación y la reproducibilidad de los resultados.
Introduction
Las unidades motoras (MUs) son las unidades funcionales más pequeñas de los músculos esqueléticos. Por lo tanto, la comprensión de su función, plasticidad y propiedades contráctiles, así como los mecanismos de su regulación de la fuerza, es crucial para el progreso en la fisiología muscular. Las propiedades contráctiles básicas de las SU y las proporciones de sus tipos fisiológicos se han documentado para numerosos músculos, predominantemente los músculos de la extremidad posterior en animales experimentales. Sin embargo, tanto la plasticidad de las propiedades MU como los mecanismos de regulación de la fuerza MU todavía no se entienden completamente.
El principio del método descrito es la denervación extensiva de los músculos de la extremidad posterior, excepto la investigada y la laminectomía en las vértebras lumbares con el fin de preparar las raíces ventrales delgadas, cada una de las que contiene un solo axón motor “funcional”, estimulada eléctricamente para registrar la fuerza y el potencial de acción del MU. Usando la técnica descrita en este artículo, es posible aislar más de la mitad de las MUs del músculo gastrocnemius medial en un experimento exitoso. La rata medial gastrocnemius se compone de una media de 52 MUs (hembras) o 57 SU (machos) de tres tipos fisiológicos: S (lento), FR (resistente rápido) y FF (fatigable rápido)1,2, y tienen propiedades contráctiles variables3. Para los experimentos que comparan los valores medios de las UNIDADes de manipulación en los grupos de control y experimentales, es necesario el aislamiento y la grabación de 10-30 MUs para cada uno de estos grupos. Críticamente, las UNIDADes de estado individuales pueden ser accesibles para la estimulación durante períodos de tiempo superiores a una hora. Además, dado que esta técnica permite registrar tanto la fuerza MU como los potenciales de acción, este método es adecuado para estudiar los fenómenos asociados con la producción de fuerza, evaluar el efecto de la fatiga y observar la relación entre la fuerza y los potenciales de acción.
Estudios anteriores han confirmado que las propiedades contráctiles MU son plásticas y pueden ser moduladas por numerosas intervenciones. Los experimentos con la técnica descrita aquí se han realizado en la rata medial gastrocnemius4 u otros músculos de la extremidad posterior de la rata5,6 así como en los músculos del gato7,utilizando un método similar de aislamiento MU único. Otra serie de experimentos utilizando trenes de estímulo entregados a intervalos de interbozo variables proporcionaron observaciones sobre los procesos de control motor, y los resultados en general atención a la historia de la estimulación, incluyendo efectos considerables de un cambio en la escala de tiempo de incluso un estímulo, crucial para la producción de fuerza8,9.
Las SU también se pueden estudiar utilizando métodos alternativos. En primer lugar, un método es la estimulación directa de motoneurones. Burke utilizó la estimulación intracelular de motoneurones en el gas gastrocnemius medial y soleus con microelectrodos de vidrio utilizados en paralelo para determinar las propiedades electrofisiológicas de estas neuronas1,10. Se han propuesto otros métodos para estudiar las SU en los músculos humanos, que requieren una intervención considerablemente menor. Para todos estos métodos, los electrodos estimulantes y de grabación se insertan en el músculo o nervio, y la fuerza se registra desde el dedo o desde el pie. El primero de estos métodos se utilizó para estudiar MUs en el primer músculo interosseoso dorsal. Para este músculo, con una fuerza baja, en el electromiograma registrado con el electrodo de aguja insertado en el músculo se identificaron los potenciales de acción de una sola unidad motora activa. Luego se promediaron los fragmentos de una fuerza muscular registrada en paralelo y después de cada potencial de acción (promedio activado por picos). Este método permite la extracción de la fuerza de una unidad motora de la grabación de la fuerza muscular11. Sin embargo, la debilidad metodológica de este procedimiento es que no se promedió una sola fuerza de contracción, sino fragmentos de contracciones tetánicas. Las SU humanas también pueden estudiarse utilizando el segundo método de microestimulación eléctrica intramuscular utilizando un electrodo insertado en el músculo12,que estimula un fragmento de un árbol axonal, lo que conduce a la activación de una sola unidad motora. El tercer método es la microestimulación con un electrodo insertado en el nervio. Cuando el electrodo activa sólo un axón motor en el nervio, sólo una unidad de motor contrae13. Estos últimos métodos tienen algunas limitaciones, incluyendo la estabilidad y la calidad del registro, las restricciones éticas y el acceso al material experimental. Este protocolo ha sido ampliamente utilizado en gatos en los años 70 y 8014.
Protocol
Representative Results
Discussion
Si se realiza correctamente por científicos experimentados, el componente quirúrgico del protocolo descrito debe completarse en un plazo aproximado de dos horas. Uno debe tener especial cuidado para mantener condiciones fisiológicas estables del animal durante la cirugía, particularmente la temperatura corporal y la profundidad de la anestesia, que debe ser controlada sistemáticamente mediante la evaluación de los reflejos de pinna y abstinencia. Después de la cirugía, debe ser posible mantener condiciones de gra…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la subvención 2018/31/B/NZ7/01028 del Centro Nacional de Investigación de Polonia.
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
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