Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

"Avatar" ، تجارب حلقة عمل معدلة خارج الجسم الحي باستخدام الإجهاد والتنشيط في الجسم الحي

Published: August 18, 2023 doi: 10.3791/65610
Automatic Translation
1, 1
1Northern Arizona University

Summary

توضح هذه المقالة بالتفصيل منهجية محاكاة إنتاج قوة العضلات في الجسم الحي أثناء تجارب حلقة العمل خارج الجسم الحي باستخدام عضلة "رمزية" من القوارض المختبرية لتقييم مساهمات عابري الإجهاد والتنشيط في استجابة قوة العضلات.

Abstract

سلوكيات الحركة هي السمات الناشئة للأنظمة الديناميكية التي تنتج عن إنتاج قوة العضلات وإخراج العمل. يحدث التفاعل بين الأنظمة العصبية والميكانيكية على جميع مستويات التنظيم البيولوجي في وقت واحد ، من ضبط خصائص عضلات الساق أثناء الجري إلى ديناميكيات الأطراف التي تتفاعل مع الأرض. إن فهم الظروف التي تحول فيها استراتيجيات التحكم العصبي الخاصة بها نحو ميكانيكا العضلات الجوهرية ("الانعكاسات") في التسلسل الهرمي للتحكم سيسمح لنماذج العضلات بالتنبؤ بقوة العضلات في الجسم الحي والعمل بشكل أكثر دقة. لفهم ميكانيكا العضلات في الجسم الحي ، يلزم إجراء فحص خارج الجسم الحي لقوة العضلات والعمل تحت ظروف إجهاد وتحميل متغيرة ديناميكيا مماثلة للحركة في الجسم الحي. عادة ما تظهر مسارات الإجهاد في الجسم الحي تغيرات مفاجئة (أي عابرة الإجهاد والسرعة) تنشأ من التفاعلات بين التنشيط العصبي ، والحركية العضلية الهيكلية ، والأحمال التي تطبقها البيئة. الهدف الرئيسي من تقنية "الصورة الرمزية" الخاصة بنا هو التحقيق في كيفية عمل العضلات أثناء التغيرات المفاجئة في معدل الإجهاد والتحميل عندما تكون مساهمة الخواص الميكانيكية الجوهرية في إنتاج قوة العضلات أعلى. في تقنية "الصورة الرمزية" ، يتم تعديل نهج حلقة العمل التقليدي باستخدام مسارات إجهاد الجسم الحي المقاسة وإشارات تخطيط كهربية العضل (EMG) من أثناء الحركات الديناميكية لدفع العضلات خارج الجسم الحي من خلال دورات تقصير التمدد المتعددة. يشبه هذا النهج تقنية حلقة العمل ، باستثناء أنه يتم تحجيم مسارات الإجهاد في الجسم الحي بشكل مناسب وفرضها على عضلات الفأر خارج الجسم الحي المرتبطة بمحرك مؤازر. تسمح هذه التقنية للشخص: (1) محاكاة الإجهاد في الجسم الحي ، والتنشيط ، وتردد الخطوة ، وأنماط حلقة العمل. (2) تغيير هذه الأنماط لتتناسب مع استجابات القوة في الجسم الحي بشكل أكثر دقة ؛ و (3) تختلف السمات المحددة للإجهاد و / أو التنشيط في مجموعات خاضعة للرقابة لاختبار الفرضيات الآلية.

Introduction

تحقق المتحركة مآثر رياضية رائعة من القدرة على التحمل والسرعة وخفة الحركة في البيئات المعقدة. حركة مثيرة للإعجاب بشكل خاص على عكس الآلات التي صممها الإنسان - لا يزال استقرار وخفة الحركة في الروبوتات ذات الأرجل الحالية والأطراف الاصطناعية والهياكل الخارجية ضعيفة مقارنة بالحيوانات. تتطلب الحركة ذات الأرجل في التضاريس الطبيعية تحكما دقيقا وتعديلات سريعة لتغيير السرعة والمناورة بالميزات البيئية التي تعمل كاضطرابات غير متوقعة1،2،3،4. ومع ذلك ، فإن فهم الحركة غير الثابتة يمثل تحديا بطبيعته لأن الديناميكيات تعتمد على التفاعلات المعقدة بين البيئة المادية والميكانيكا العضلية الهيكلية والتحكم الحسيالحركي 1,2. تتطلب الحركة ذات الأرجل الاستجابة للاضطرابات غير المتوقعة من خلال المعالجة السريعة متعددة الوسائط للمعلومات الحسية والتشغيل المنسق للأطراف والمفاصل 1,5. في النهاية ، أصبحت الحركة ممكنة من خلال العضلات المنتجة للقوة من خلال الخصائص الميكانيكية الجوهرية للجهاز العضلي الهيكلي وكذلك من التحكم العصبي1،5،6،7. السؤال البارز في الميكانيكا العصبية هو كيف تتفاعل هذه العوامل لإنتاج حركة منسقة استجابة للاضطرابات غير المتوقعة. تستخدم التقنية التالية الاستجابة الميكانيكية الجوهرية للعضلات للتشوه باستخدام مسارات الإجهاد في الجسم الحي أثناء التجارب خارج الجسم الحي التي يمكن التحكم فيها باستخدام عضلة "رمزية".

قدمت تقنية حلقة عمل العضلات إطارا مهما لفهم ميكانيكا العضلات الجوهرية أثناء الحركات الدورية8،9،10. تعمل تقنية حلقة العمل التقليدية على دفع العضلات من خلال مسارات إجهاد محددة مسبقا ، وعادة ما تكون جيبية ، باستخدام الترددات وأنماط التنشيط المقاسة أثناء التجارب في الجسم الحي 2،8،9،11. يمكن أن يؤدي استخدام مسارات الطول الجيبي إلى تقدير العمل وإنتاج الطاقة بشكل واقعي أثناء الرحلة12 والسباحة2 في ظل ظروف لا تخضع فيها لتغيرات سريعة في مسارات الإجهاد بسبب التفاعل مع البيئة والحركة العضلية الهيكلية. ومع ذلك ، تنشأ مسارات إجهاد العضلات في الجسم الحي أثناء الحركة الساقية ديناميكيا من التفاعلات بين التنشيط العصبي ، والحركية العضلية الهيكلية ، والأحمال التي تطبقها البيئة5،7،13،14. هناك حاجة إلى تقنية حلقة عمل أكثر واقعية لمحاكاة الأحمال ومسارات الإجهاد وإنتاج القوة التي تتوافق مع ديناميكيات وتر العضلات في الجسم الحي وتوفر نظرة ثاقبة حول كيفية تفاعل ميكانيكا العضلات الجوهرية والتحكم العصبي لإنتاج حركة منسقة في مواجهة الاضطرابات.

هنا ، نقدم طريقة جديدة لمحاكاة قوى العضلات في الجسم الحي أثناء حركة جهاز المشي باستخدام عضلة "رمزية" من القوارض المختبرية أثناء تجارب خارج الجسم الحي الخاضعة للرقابة مع مسارات الإجهاد في الجسم الحي التي تمثل متغيرة زمنيا في أحمال الجسم الحي. إن استخدام مسارات الإجهاد المقاسة في الجسم الحي من عضلة مستهدفة على عضلات من مختبر أثناء التجارب خارج الجسم الحي الخاضعة للرقابة سيحاكي الأحمال التي تحدث أثناء الحركة. في التجارب الموصوفة هنا ، يتم استخدام العضلة الباسطة للفأر خارج الجسم الحي digitorum longus (EDL) ك "صورة رمزية" لعضلة الساق الإنسي للفئران في الجسم الحي (MG) أثناء المشي والهرولة والركض على جهاز المشي13. يشبه هذا النهج تقنية حلقة العمل ، باستثناء أنه يتم تحجيم مسارات الإجهاد في الجسم الحي بشكل مناسب وفرضها على عضلات الفأر خارج الجسم الحي المرتبطة بمحرك مؤازر. بينما تختلف عضلات الفأر EDL في الحجم ونوع الألياف والبنية مقارنة بالفئران MG ، فمن الممكن التحكم في هذه الاختلافات. تسمح تقنية "الصورة الرمزية" للشخص: (1) محاكاة الإجهاد في الجسم الحي ، والتنشيط ، وتردد الخطوة ، وأنماط حلقة العمل. (2) تغيير هذه الأنماط لتتناسب مع استجابات القوة في الجسم الحي بشكل أكثر دقة ؛ و (3) تختلف السمات المحددة للإجهاد و / أو التنشيط في مجموعات خاضعة للرقابة لاختبار الفرضيات الآلية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تمت الموافقة على جميع الدراسات على من قبل لجنة رعاية واستخدام المؤسسية في جامعة شمال أريزونا. تم استخدام عضلات الباسطة الرقمية الطويلة (EDL) من ذكور وإناث الفئران البرية (سلالة B6C3Fe a / a-Ttnmdm / J) ، الذين تتراوح أعمارهم بين 60-280 يوما ، في هذه الدراسة. تم الحصول على من مصدر تجاري (انظر جدول المواد) ، وتم تأسيسها في مستعمرة في جامعة شمال أريزونا.

1. اختيار مسار سلالة الجسم الحي والتحضير للاستخدام أثناء تجارب حلقة العمل خارج الجسم الحي

ملاحظة: في هذا البروتوكول ، تم استخدام القياسات السابقة من الحركة الديناميكية في الجسم الحي ، والتي تم تقديمها مباشرة إلى المؤلفين (نيكولاي كونو ، UMass Lowell ، الاتصال الشخصي) ، في تجارب خارج الجسم الحي. تم جمع البيانات الأصلية ل Wakeling et al.15. الوقت أو الطول أو الإجهاد ، EMG / التنشيط ، وبيانات القوة مطلوبة لتكرار البروتوكول.

  1. قسم التجربة الكاملة في الجسم الحي إلى خطوات فردية باستخدام أي منصة برمجة (كود MATLab متوفر في ملف الترميز المكمل 1).
    1. ارسم تغييرات الطول مقابل. حان الوقت للمحاكمة الكاملة في الجسم الحي . يستخدم هذا لتصور الخطوات الفردية (من موقف إلى موقف) ولتقييم التباين بين الخطوات (الشكل 1).
    2. احسب الإجهاد للتجربة بأكملها (الطول (L) / أقصى قوة متساوية القياس عند الطول الأمثل L0).
    3. حدد خطوة من التجربة بأكملها تمثل جميع الخطوات ، والتي تبدأ وتنتهي بأطوال مماثلة. يمكن القيام بذلك بصريا عن طريق رسم الأطوال فوق بعضها البعض لمقارنة كل خطوة.
    4. بعد تحديد خطوة تمثيلية ، قم بتقسيم الإجهاد ، EMG / التنشيط ، وفرض البيانات من التجربة بأكملها باستخدام أي منصة برمجة (انظر ملف الترميز التكميلي 1 للرموز المستخدمة في MATLab16).
    5. إذا اختلف تردد أخذ العينات بالنسبة للإجهاد أو EMG / التنشيط أو القوة ، فقم باستيفاء نقاط البيانات بحيث يتم أخذ عينات منها جميعا بنفس التردد.
      ملاحظة: يمكن للباحثين تحديد تكرار الالتقاط بناء على الفترات الزمنية بين كل نقطة تم أخذ عينات منها في التجربة بأكملها. إذا تم التقاط المتغيرات بنفس التردد ، فستكون أوقات أخذ العينات هي نفسها.
  2. احسب تكرار الخطوات المجزأة.
    1. احسب التردد عن طريق تحديد مدة خطوة مجزأة بالثواني وقسمة 1 (ثانية) على المدة (1 / المدة = # خطوات في الثانية).
    2. حدد يدويا عدد نقاط البيانات التي يجب الحصول عليها في التجارب خارج الجسم الحي لمطابقة التردد.
    3. احسب الوقت اللازم لخطوتين. كرر الخطوات مرة واحدة على الأقل للتقدير ضمن خطأ قياس العضلات ، والذي سيكون مطلوبا للتحليل الإحصائي اللاحق.
  3. حدد مرحلة التحفيز بالنسبة لمدخلات الإجهاد باستخدام نشاط EMG المقاس لتحديد بداية ومدة التحفيز لحلقات العمل خارج الجسم الحي . يمكن استخدام أي منصة برمجة (انظر ملف الترميز التكميلي 1 للحصول على الكود المستخدم في هذه الدراسة).
    1. عرض إشارة EMG على نفس نطاق المحور السيني (الوقت) مثل تغيير الإجهاد (الشكل 1). تكبير إشارة EMG لتكون مرئية ؛ يمكن القيام بذلك عن طريق ضرب إشارة EMG برقم تعسفي ، وإعادة قياس الإجهاد و EMG ليكونا على نفس المقياس ، و / أو إضافة إشارة EMG إلى السلالة.
      ملاحظة: أعاد المؤلفون قياس السلالة و EMG ليكونا على نفس المقياس باستخدام وظيفة "rescale" في MATLab (انظر الشكل التكميلي 1).
    2. ابحث عن مكان بدء نشاط EMG وتوقفه ، كما يتضح من التغيير في شدة انحرافين معياريين17,18.
      ملاحظة: اعتمادا على والعضلات ، قد تتوافق بداية تخطيط كهربية العضل أو لا تتوافق مع ملامسة القدم (مونيكا دالي ، جامعة كاليفورنيا في إيرفين ، التواصل الشخصي) (انظر قسم المناقشة).
    3. احسب النسبة المئوية لدورة الإجهاد (على سبيل المثال ، 40٪) التي يحدث فيها بداية تنشيط EMG ومدة حدوث التحفيز (على سبيل المثال ، 222 مللي ثانية).
      ملاحظة: سيحتاج الباحثون إلى حساب تأخير اقتران الإثارة والانكماش (ECC) الذي يختلف بين الحركة في الجسم الحي وحلقات العمل خارج الجسم الحي وقد يكون مختلفا لكل وعضلة (على سبيل المثال ، في الجسم الحي ECC هو 24.5 مللي ثانية للفئران MG ، خارج الجسم الحي ECC هو ~ 5 مللي ثانية للفأر EDL).
  4. إعداد مدخلات الإجهاد التمثيلية لبرنامج التحكم في حلقة العمل. يمكن استخدام أي برنامج يمكنه التقاط خرج القوة مع مدخلات الإجهاد والتحفيز لبرنامج وحدة التحكم في حلقة العمل (انظر قسم المناقشة).
    1. خذ الخطوة المحددة واستكملها إلى العدد المناسب من النقاط اللازمة لالتقاط الخطوة بتردد في الجسم الحي لدورتين (انظر الخطوة 1.2).
    2. أعد قياس الخطوة للبدء والتوقف عند "إجهاد صفري" (على سبيل المثال ، L 0 أو 95٪ L0) بعد التمدد بطول محدد مسبقا (انظر الخطوة 3.3).
    3. "مقياس" الخطوة المحددة ، إذا لزم الأمر ، لاستخدامها كمدخل لتغييرات الإجهاد في EDL الماوس (انظر قسم المناقشة). للقياس ، حدد رحلة طول يمكن من خلالها تمديد EDL للماوس دون تلف (على سبيل المثال ، نقوم عادة بتمديد الماوس EDL بنسبة 10٪ L0 بغض النظر عن الأنواع في الجسم الحي ). قد يلزم تغيير هذا بناء على النتائج الأولية (انظر الخطوة 3.3).

Figure 1
الشكل 1: طول التجربة الكاملة في الجسم الحي بمرور الوقت. الطول (مم) مرسومة مقابل وقت الفئران MG. يتم تحديد الخطوات بواسطة دوائر ، من أقصر طول إلى أقصر طول ، وتعتبر خطوة واحدة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. تقييم أقصى قوة متساوية القياس لعضلات الفأر خارج الجسم الحي

  1. إعداد المعدات والجراحة.
    ملاحظة: راجع قسم المناقشة للحصول على شرح للمعدات اللازمة لحلقة العمل خارج الجسم الحي .
    1. قم بإعداد حمام عضو الأنسجة عن طريق إدخال صمام إبرة oxytube في حمام أنسجة الغلاف المائي (انظر جدول المواد). قم بتوصيل أنبوب الأكسجين بأسطوانة غاز بنسبة 95٪ 0 2-5٪ CO2. اترك 20 رطلا لكل بوصة مربعة لملء حمام مناديل سترة الماء.
    2. قم بإعداد منطقة الجراحة عن طريق تشغيل أنبوب أوكسي إضافي من خط الغاز إلى طبق بلوري مملوء بمحلول Krebs-Henseleit (الخطوة 2.1.3) بالقرب من منطقة الجراحة. سيتم استخدام هذا للحفاظ على تهوية العضلات وترطيبها أثناء العمليات الجراحية وبعدها.
      ملاحظة: يمكن أيضا تخزين العضلات في هذا المحلول الهوائي حتى 4 ساعات ، إذا تم إخراج أكثر من عضلة واحدة من الماوس في وقت واحد.
    3. تحضير 1 لتر من محلول Krebs-Henseleit الذي يحتوي على (في مليمول l-1): كلوريد الصوديوم (118) ؛ KCl (4.75) ؛ MgSO4 (1.18) ؛ KH2PO4 (1.18) ؛ CaCl 2 (2.54) ؛ والجلوكوز (10.0) في درجة حرارة الغرفة ودرجة الحموضة إلى 7.4 باستخدام حمض الهيدروكلوريك وهيدروكسيد الصوديوم (انظر جدول المواد). عند التعامل مع حمض الهيدروكلوريك وهيدروكسيد الصوديوم ، ارتد معدات الوقاية الشخصية المناسبة من النظارات الواقية والقفازات.
    4. املأ الحمام بمحلول Krebs-Henseleit في درجة حرارة الغرفة ودرجة الحموضة 7.4. اغمر العضلات والخطاف تماما في المحلول.
    5. قم بتشغيل جميع المعدات ؛ نظام ذراع العضلات ثنائي الوضع والمحفز وواجهة الإشارة (لوحة DAQ) (انظر جدول المواد).
  2. تشريح العضلات EDL.
    1. تخدير الفأر بعمق ثم إجراء القتل الرحيم عن طريق خلع عنق الرحم. ضع الماوس في وضع راقد جانبي يمين أو يسار مع تمديد الطرف الخلفي العلوي وأصابع القدم التي تلامس لوحة التشريح. إزالة الفراء من الكاحل إلى فوق مفصل الركبة.
    2. خيمة الجلد بالملقط وقطع من مفصل الكاحل إلى منطقة الورك. بمجرد تعرض العضلات ، قم بقص الكاحل مثل "هدب" السراويل. اسحب الجلد لأعلى لكشف عضلات الساق بشكل أكثر وضوحا.
    3. حدد موقع خط اللفافة الذي يفصل بين الظنبوب الأمامي (TA) و gastrocnemius ، وافصل باستخدام مقص تشريح لكشف أوتار الركبة. ضع مقص التشريح بين وتري الركبة المكشوفين. سوف "يمسك" المقص على جيب أسفل أوتار الركبة المكشوفة مباشرة. يقوم بلانت بتشريح "جيب" أثناء سحب المقص بعيدا عن الساق حتى يصل المقص إلى الكاحل لكشف شركة كهرباء لبنان.
    4. باستخدام عقدة حلقة مربوطة مسبقا بحجم 4-0 خياطة جراحية حريرية (انظر جدول المواد) ، اربط أحد طرفي الخيط أسفل الوتر الأقرب إلى الركبة. اربط عقدة مربعة مزدوجة فوق تقاطع وتر العضلات القريب دون وضعها على العضلات أو تضمين الوتر. قطع فوق العقدة. اسحب الحلقة المربوطة بالوتر برفق ، وستخرج EDL من "الجيب".
    5. قم بلصق الحلقة بمنطقة التشريح لخلق توتر في مؤسسة كهرباء لبنان. اربط عقدة مربعة مزدوجة باستخدام عقدة حلقة أخرى مربوطة مسبقا عند تقاطع وتر العضلات البعيدة دون وضعها على العضلات أو تضمين الوتر. قطع العقدة على الجانب أقرب إلى الساق لإزالة EDL كله من الماوس. اقطع الخيط الإضافي بعيدا عن العقد المربعة المزدوجة على الجانبين القريب والبعيد من العضلات وضع العضلة في الحمام الهوائي بجوار منطقة الجراحة.
      ملاحظة: تأكد من ملاحظة الجانب القريب و / أو البعيد في حالة وضع العضلات في حمام هوائي.
    6. لوضعها على جهاز الرافعة المؤازرة ، قم بتوصيل EDL عموديا بين أقطاب البلاتين المعلقة. قم بتوصيل عقدة الحلقة البعيدة بالخطاف الثابت وقم بتوصيل عقدة الحلقة القريبة بالخطاف المتصل بذراع المحرك المؤازر. ارفع حمام الأنسجة لغمر العضلات في محلول Krebs-Henseleit المهووي.
      ملاحظة: يجب ألا تزعج التهوية العضلات عند غمرها. إذا حدث ذلك ، فقم بخفض ضغط الغاز. اسمح للعضلات بالتوازن لمدة 10 دقائق قبل بدء التحفيز.
  3. قياس أقصى قوة متساوية القياس لعضلة EDL.
    ملاحظة: راجع الجدول 1 للاطلاع على بروتوكول حول كيفية قياس أقصى قوة متساوية القياس باستخدام نشل والكزاز. انظر الشكل التكميلي 1 للحصول على توضيح للبرنامج الذي استخدمه المؤلفون.
    1. تحفيز العضلات مع نشل فوق الحد الأقصى لضمان عدم تلف العضلات أثناء الجراحة (80 فولت ، 1 pps ، 1ms ؛ الجدول 1 ؛ انظر الشكل التكميلي 2). إذا لم يحدث أي ضرر ، فاستخدم مقبض الطول الموجود على نظام ذراع العضلات للعثور على طول العضلات باستخدام تحفيز النشل الذي يكون فيه التوتر النشط ~ 1 فولت / 0.1271 نيوتن مع أقل من ~ 0.1 فولت / 0.01271 نيوتن التوتر السلبي.
    2. سجل طول بداية العضلة من عقدة خياطة إلى عقدة خياطة بالفولت والمليمترات. قياسات المدخلات في جزء المعايرة من البرنامج لطول البداية (انظر الشكل التكميلي 1).
    3. أوجد أقصى قوة متساوية القياس للنشل فوق الأقصى عند الطول الأمثل (L0) من EDL (الجدول 1). ليست هناك حاجة إلى فترة راحة من الناحية الفنية ، ولكن الانتظار لمدة 1 دقيقة بين المحفزات سيؤدي إلى استقرار التوتر السلبي. سجل الطول (بالفولت) الذي يكون فيه النشل فوق الأقصى هو الحد الأقصى. هذا هو الطول الأمثل للعضلات (L0) للنشل.
    4. قياس العضلات مع الفرجار في هذا الطول. قياس العضلات من عقدة خياطة إلى عقدة خياطة. بمجرد العثور على L 0 ، قم بتقصير العضلات مرة أخرى إلى طول البداية (التوتر النشط ~ 1V / 0.1271 N).
    5. العثور على أقصى قوة متساوية القياس للكزاز فوق الحد الأقصى ل EDL (80 فولت ، 180 نقطة في الثانية ، 500 مللي ثانية ؛ الجدول 1). سجل الطول (بالفولت والمليمترات) للقوة الكزازية فوق القصوى عند L0 وقم بقياس الألياف من عقدة خياطة إلى عقدة خياطة مرة أخرى باستخدام الفرجار.
      ملاحظة: زيادة طول العضلات في خطوات 0.5 فولت / 0.65 مم سيؤدي إلى L0 أكثر دقة لكل من النشل والكزاز.
    6. أوجد القوة متساوية القياس دون القصوى ل EDL (45 فولت ، 110 نقطة في الثانية ، 500 مللي ثانية ؛ الجدول 1) في L0 قبل وبعد التجربة لضمان عدم حدوث التعب من بروتوكول التحفيز. يعتبر انخفاض القوة بنسبة 10٪ عضلة "مرهقة".
التجربه شدة المحاكاة (V) تردد النبض (pps / هرتز) مدة التحفيز (مللي ثانية) التعليقات
1. "الاحماء" 80 1 1 زيادة أو تقليل الطول بمقدار 0.50 فولت لإيجاد الشد السلبي بمقدار 1 فولت
2. نشل طول العضلات الأمثل (L0) 80 1 1 زيادة أو تقليل الطول بمقدار 0.50 فولت لإيجاد التوتر السلبي ~ 1 فولت
3. الكزاز الأمثل طول العضلات (L0) 80 180 500 الراحة لمدة 3 دقائق بين تغيير الطول بمقدار 0.50 فولت
4. قبل التجربة دون الحد الأقصى L0 45 110 500 على طول L0
6. تجارب الصورة الرمزية 45 110 استخدام تغييرات الطول التمثيلي دوريا ل EDL للماوس
7. بعد التجربة دون الحد الأقصى L0 45 110 500 العودة إلى L0 بعد التجربة وقياس L0

الجدول 1: بروتوكول التحفيز. بروتوكول التحفيز لإيجاد الطول الأمثل للنشل فوق الأقصى ودون الحد الأقصى والكزاز. يختلف البروتوكول حسب شدة التحفيز والتوقيت والنبضات في الثانية.

3. إكمال تقنية حلقة العمل "الرمزية" باستخدام مسارات سلالة محددة في الجسم الحي

  1. قم بإعداد البرنامج اللازم لإكمال تقنيات حلقة العمل "الرمزية" (انظر جدول المواد).
    ملاحظة: يلزم وجود ملف إدخال (.csv أو ما شابه) يحدد طول العضلات في كل خطوة زمنية (انظر الخطوة 1.4). من الضروري تقديم مدخلات للنسبة المئوية للدورة التي يبدأ فيها التحفيز ومدة التحفيز (انظر الشكل التكميلي 3 على سبيل المثال).
  2. أكمل تقنية حلقة العمل "الصورة الرمزية".
    ملاحظة: بينما نستخدم برنامج LabView مخصصا ، يمكن للباحثين استخدام أي برنامج يسمح بالتحكم في تغيرات الطول في EDL للفأر على ذراع محرك مؤازر ، والتحكم في بداية (٪ دورة) ومدة (مللي ثانية) للتحفيز في أوقات محددة ، وقياس قوة العضلات. انظر الشكل التكميلي 3 للحصول على توضيح لاستخدام مؤلفي البرنامج.
    1. قم بتحميل تغييرات السلالة المقاسة مع رحلة الطول المقاسة في البرنامج من الخطوة 1.4. راجع الخطوتين 1.4 و3.3 وقسم المناقشة لمزيد من المعلومات حول "تغييرات السلالة المتدرجة".
    2. اضبط طول بداية العضلة إذا لزم الأمر (انظر القسم 3.3). أدخل طول البداية باللونين V و mm لمعايرة النتائج (انظر الشكل التكميلي 3).
    3. استخدم بداية التحفيز ومدته المحسوبة في الخطوة 1.3.
    4. قم بتشغيل العضلات من خلال تغييرات الطول المتدرجة مع رحلة طول محددة لدورتين.
    5. حفظ البيانات. إذا تم جمع العديد من بروتوكولات التحفيز على نفس العضلة ، فانتظر 3 دقائق بين كل تحفيز.
    6. تحفيز بالطول الأمثل (L0) باستخدام التنشيط دون الحد الأقصى لتحديد ما إذا كان التعب قد حدث. إذا انخفضت القوة بأكثر من 10٪ ، تعتبر العضلات مرهقة. انظر الجدول 1 للاطلاع على بروتوكولات التحفيز.
    7. إزالة العضلات من الحمام. قطع عقدة حلقة من العضلات وربت الحل الزائد من العضلات. وزن العضلات. حدد منطقة المقطع العرضي الفسيولوجي باستخدام الصيغة القياسية: كتلة العضلات / (L0 * 1.06) 19.
  3. ضبط المعلمات لتقنية حلقة العمل "الرمزية" (انظر قسم المناقشة).
    1. حدد طول البداية وطول الرحلة من خلال مطابقة ارتفاع التوتر السلبي خارج الجسم الحي مع ارتفاع التوتر السلبي الذي لوحظ في الجسم الحي (الشكل 2).
      ملاحظة: استخدمت هذه الدراسة النسبة المئوية L 0 لقياس طول البداية (مم) والرحلة (٪ L0 ؛ انظر الخطوة 1.4 وقسم المناقشة). لمطابقة ارتفاع التوتر في الفأر خارج الجسم الحي EDL مع ارتفاع الفئران في الجسم الحي MG ، وجد المؤلفون أن طول البداية عند L0 أنتج أفضل ملاءمة (الشكل 2).
    2. اختر ثلاثة أطوال بداية (على سبيل المثال ، -5٪ L 0 و L 0 و + 5٪ L0). قم بإجراء حلقة عمل "الصورة الرمزية" عند كل من أطوال البداية هذه مع رحلة طول محددة (على سبيل المثال ، 10٪ L0).
      ملاحظة: في تجارب "الصورة الرمزية" الحالية باستخدام الماوس EDL ، تم استخدام رحلة طول 10٪ L0 .
    3. كرر مع أطوال بدء جديدة و / أو رحلة حتى يكون معدل ارتفاع التوتر السلبي خارج الجسم الحي مشابها لمعدل ارتفاع التوتر السلبي في الجسم الحي (انظر الشكل 2 ب).
    4. اعتمادا على أنواع الألياف وديناميكيات تنشيط العضلات المستخدمة ، قم بزيادة أو تقليل مدة التحفيز لتحسين التطابق بين القوة خارج الجسم الحي وفي الجسم الحي . وبالتالي ، قد يكون من الضروري تغيير بداية و / أو مدة التحفيز لتتناسب بشكل أفضل في إنتاج القوة الحية أثناء تجارب "الصورة الرمزية".
    5. لتحديد ما إذا كان هذا ضروريا (انظر قسم المناقشة) ، ارسم القوة بمرور الوقت ل "الصورة الرمزية" والعضلات في الجسم الحي (الشكل 3) واحسب معامل التحديد R2 عن طريق تربيع الارتباط المتدرج بين قوة العضلات المستهدفة و "الصورة الرمزية" (انظر النتائج التمثيلية).

Figure 2
الشكل 2: مطابقة ارتفاع التوتر السلبي. حلقات العمل التي تظهر الارتفاع داخل الجسم الحي وخارج الجسم الحي في التوتر السلبي (الأسهم). حلقة عمل متدرجة في الجسم الحي من الفئران MG (أسود) تمشي بسرعة 2.9 هرتز (بيانات من Wakeling et al.15). حلقات عمل مقاسة خارج الجسم الحي من الماوس EDL (أخضر) عند 2.9 هرتز. (A) طول بدء عضلة الفأر EDL هو + 5٪ L0. (ب) طول بداية عضلة الفأر EDL هو L0. لاحظ أن ارتفاع التوتر السلبي خارج الجسم الحي يتطابق مع ارتفاع التوتر في الجسم الحي في A ولكن ليس في B. تشير الخطوط السميكة إلى التحفيز. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: تحسين مدة تحفيز الفأر EDL لمطابقة القوة في الجسم الحي للفئران MG (الخط الأسود). تنخفض القوة الناتجة عن EDL للفأر باستخدام التحفيز القائم على EMG (الخط الأخضر المتقطع) في وقت أبكر من القوة في الجسم الحي ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى تعطيل EDL للفأر بشكل أسرع مقارنة ب MG للفئران. لتحسين الملاءمة بين القوى في الجسم الحي وخارج الجسم الحي ، تم تحفيز الماوس EDL لمدة أطول (خط أخضر صلب). التحفيز القائم على EMG R 2 = 0.55 ، التحفيز الأمثل R2 = 0.91. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

الهدف من تجارب "الصورة الرمزية" هو تكرار إنتاج القوة في الجسم الحي وإخراج العمل قدر الإمكان أثناء تجارب حلقة العمل خارج الجسم الحي. اختارت هذه الدراسة استخدام الفأر EDL ك "صورة رمزية" للفأر MG لأن الفأر EDL و الفئران MG كلاهما يتكون في الغالب من عضلات سريعة الارتعاش20,21. كلتا العضلتين هما المحركان الأساسيان لمفصل الكاحل (EDL ankle dorsiflexor ، MG ankle plantarflexor) مع زوايا قلم مماثلة (الماوس EDL 12.4 + 2.12 ° 22 ، الفئران MG 20 ° المستخدمة في هذه الدراسة15). تمت مقارنة حلقات العمل التمثيلية المتدرجة للفئران MG15 بتجارب "الصورة الرمزية" خارج الجسم الحي (الشكل 4) باستخدام بروتوكولين مختلفين للتحفيز (أحدهما من نشاط EMG المقاس والآخر محسن كما في الخطوة 3.3). تم حساب قيم R2 المعروضة هنا باستخدام دورة تقصير التمدد المتدرجة بأكملها (دورتان / حالة) ، مع وجود أكثر من 2000 نقطة لكل دورة تتوافق مع السرعة الحركية (المشي = 5521 نقطة ، الهرولة = 5002 ، الفرس = 2502 نقطة). تم تحجيم حلقات العمل لمراعاة الاختلافات في حجم العضلات و P0 و PCSA. تم إجراء القياس عن طريق قوة رسم الخرائط خطيا والضغط على مقياس مماثل (0-1) لمقارنة الفئران MG والفأر EDL. بصريا ، من الواضح أن تحسين بروتوكول التحفيز (الشكل 4 ب) لحساب ديناميكيات التنشيط المختلفة لعضلات الفأر EDL و MG الفئران يحسن ملاءمة قوة MG للفئران في الجسم الحي مقارنة بالتنشيط القائم على EMG (انظر قسم المناقشة). بالنسبة للفأر EDL ، فإن مضاعفة مدة التحفيز تقريبا لمسارات الإجهاد الأبطأ (المشي والهرولة) زادت R2 بنسبة 62٪ في المشي و 109٪ في الهرولة. بالنسبة لمسار الإجهاد الأسرع (العدو) ، أدت زيادة وقت التحفيز بمقدار النصف من الوقت المرصود إلى زيادة R2 بنسبة 22٪.

Figure 4
الشكل 4: مقارنة بين حلقات العمل داخل الجسم الحي وخارج الجسم الحي. حلقات العمل في الجسم الحي الفئران MG (أسود) والفأر خارج الجسم الحي EDL (الأخضر) أثناء المشي (2.9 هرتز) باستخدام مسارات سلالة في الجسم الحي. يشير الخط الأكثر سمكا إلى التحفيز في كل من حلقات العمل داخل الجسم الحي وخارج الجسم الحي. (أ) حلقة عمل للفأر في الجسم الحي MG (أسود) والفأر خارج الجسم الحي EDL (الأخضر المتقطع) أثناء المشي باستخدام بروتوكول التحفيز القائم على EMG. (B) حلقة عمل للفأر في الجسم الحي MG (أسود) وفأر خارج الجسم الحي EDL (أخضر صلب) أثناء المشي (2.9 هرتز) باستخدام التحفيز الأمثل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يشير ارتفاع R2 بين إنتاج قوة الفأر EDL خارج الجسم الحي وإنتاج القوة في الجسم الحي ل gastrocnemius الإنسي للفئران (MG)15 إلى تكرار جيد (الشكل 5). في تجارب التحفيز القائمة على EMG ، كان متوسط قيم R2 0.535 و 0.428 و 0.77 للمشي والهرولة والركض على التوالي. في تجارب التحفيز المحسنة ، كان متوسط قيم R2 0.872 و 0.895 و 0.936 في المشي والهرولة والركض على التوالي. كما تمت مناقشته سابقا (الخطوة 3.3 ، الشكل 5) ، اعتمادا على ديناميكيات تنشيط العضلات المستخدمة ، قد يلزم أيضا تحسين بروتوكول التحفيز. تم تحسين التنبؤ بقوة MG في الجسم الحي باستخدام EDL للفأر خارج الجسم الحي عبر جميع السرعات الحركية من خلال تحسين التحفيز وزيادة R2 (الشكل 5A ، B) وتقليل جذر متوسط مربع الخطأ (RMSE). انخفض RMSE بعد التحسين لجميع السرعات (الشكل 6). كان متوسط RMSE للتحفيز القائم على EMG 0.31 و 0.43 و 0.158 للمشي والهرولة والعدو. كان متوسط RMSE للتحفيز الأمثل 0.181 ، 0.116 ، 0.101 للمشي والهرولة والعدو.

Figure 5
الشكل 5: R 2 قيم إنتاج القوة في الجسم الحي وخارج الجسم الحي: مخطط الصندوق والشارب لقيم R2 لمقارنات القوة في الجسم الحي وخارج الجسم الحي . الملاحظات الفردية المرسومة ، الوسيط ، 25عشر ، و 75في المائة المشار إليها. (A) قيم R 2 لإنتاج القوة في الجسم الحي وخارج الجسم الحي باستخدام بروتوكول التحفيز بناء على إشارة EMG المقاسة في الجسم الحي أثناء المشي عند 2.9 هرتز (أخضر) ، والهرولة عند 3.2 هرتز (أرجواني) ، والركض عند 6.2 هرتز (سماوي). (B) قيم R 2 لإنتاج القوة في الجسم الحي وخارج الجسم الحي باستخدام التحفيز الأمثل (انظر الشكل 2). أدى تحسين بداية التحفيز ومدته إلى زيادةR 2 لجميع المشي. التحفيز القائم على EMG: المشي R 2 = 0.50-0.55 ، الهرولة R 2 = 0.37-0.47 ، العدو R2 = 0.62-0.90 ؛ التحفيز الأمثل: المشي R 2 = 0.74-0.93 ، الهرولة R 2 = 0.85-0.92 ، العدو R2 = 0.87-0.97. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: جذر متوسط مربع الخطأ (RMSE) لإنتاج القوة في الجسم الحي وخارج الجسم الحي. مخطط مربع وشارب لقيم RMSE لمقارنات القوة في الجسم الحي وخارج الجسم الحي. الملاحظات الفردية المرسومة ، الوسيط ، 25عشر ، و 75في المائة المشار إليها. (أ) قيم RMSE لإنتاج القوة في الجسم الحي وخارج الجسم الحي باستخدام بروتوكول التحفيز القائم على EMG. (ب) قيم RMSE في الجسم الحي وخارج الجسم الحي باستخدام بروتوكول التحفيز الأمثل. أدى تحسين بداية التحفيز ومدته إلى تقليل RMSE لجميع المشي. المشي عند 2.9 هرتز (أخضر) ، الهرولة عند 3.2 هرتز (أرجواني) ، والعدو عند 6.4 هرتز (سماوي). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

لاختبار أداء طرق حلقة العمل التقليدية في التنبؤ بقوى العضلات في الجسم الحي ، تم أيضا إجراء حلقات عمل جيبية ل EDL للفأر بنفس التردد ، وطول الرحلة ، وطول البداية ، وبداية التحفيز ، والمدة كما هو الحال بالنسبة لتجارب "الصورة الرمزية" باستخدام مسارات سلالة MG للفئران في الجسم الحي . كانت قيم R2 أقل بكثير من مسارات الإجهاد في الجسم الحي لكل من بروتوكولات التحفيز القائمة على EMG والمحسنة (الشكل 7). كان متوسط قيم R2 للتحفيز القائم على EMG باستخدام مسارات الطول الجيبي 0.062 و 0.067 و 0.141 عند ترددات المشي والهرولة والعدو. كان متوسط قيم R2 للتحفيز الأمثل باستخدام مسارات الطول الجيبي 0.09 و 0.067 و 0.141 عند ترددات المشي والهرولة والعدو.

Figure 7
الشكل 7: R2 قيم إنتاج القوة داخل الجسم الحي وخارج الجسم الحي باستخدام تغيرات الطول الجيبي. مخطط مربع وشارب لقيم RMSE لمقارنات القوة في الجسم الحي وخارج الجسم الحي. الملاحظات الفردية المرسومة ، الوسيط ، 25عشر ، و 75في المائة المشار إليها. قيم R 2 للمشي (أخضر ، 2.9 هرتز) ، الهرولة (أرجواني ، 3.2 هرتز) ، والعدو (سماوي ،6.2 هرتز) باستخدام تغييرات الطول الجيبي مع بروتوكولات التحفيز القائمة على EMG (الشفافة) والمحسنة (غير الشفافة). بالنسبة لكل من التحفيز القائم على EMG والتحفيز المحسن ، كانت قيم R2 أقل لتغيرات الطول الجيبي مقارنة بتغيرات الطول في الجسم الحي. التحفيز القائم على EMG: المشي R 2 = 0.00 - 0.30 ، الهرولة R 2 = 0.00 - 0.02 ، العدو R2 = 0.03 - 0.07 ؛ التحفيز الأمثل: المشي R 2 = 0.02 - 0.21 ، الهرولة R 2 = 0.02 - 0.12 ، العدو R2 = 0.12 - 0.17. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

حلقات العمل التي تنتجها عضلة EDL للفأر خارج الجسم الحي باستخدام مسارات الطول الجيبي لا تحاكي بدقة قوة MG للفئران في الجسم الحي مقارنة بمسارات الإجهاد في الجسم الحي (الشكل 8). يمكن تفسير التغير في العمل الناتج عن مسارات الإجهاد الجيبي مقابل المسار الجيبي في الجسم الحي بغياب عابري الإجهاد والسرعة في المسار الجيبي (الشكل 9). بينما تم تحفيز العضلات بأطوال مماثلة خلال مرحلة التقصير النشط للانقباضات في كل من المسارات الجيبية وفي مسارات الإجهاد القائمة على الجسم الحي ، حدثت بداية التحفيز في مراحل مختلفة من الدورة (على سبيل المثال ، حدثت بداية التحفيز في مرحلة 74٪ للتحفيز القائم على EMG الهرولة ، ولكن في مرحلة 43٪ للتحفيز القائم على EMG للمشي ؛ انظر قسم المناقشة).

Figure 8
الشكل 8: المقارنة بين حلقات العمل الجيبية في الجسم الحي وخارج الجسم الحي. (A) حلقة عمل في الجسم الحي (سوداء) من الجرذ MG وحلقة عمل خارج الجسم الحي (أرجواني متقطع) من EDL للفأر باستخدام مسار الإجهاد الجيبي والتحفيز القائم على EMG. (B) حلقة عمل في الجسم الحي (سوداء) من الجرذ MG وحلقة عمل خارج الجسم الحي (أرجواني صلب) من EDL للفأر باستخدام مسار الإجهاد الجيبي والتحفيز الأمثل. لاحظ أن حلقات العمل الجيبية تبالغ في تقدير العمل في الجسم الحي بسبب عدم وجود عابرات الإجهاد والسرعة في المسار الجيبي. التحفيز القائم على EMG R 2 = 0.0003 ، التحفيز الأمثل R2 = 0.084. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 9
الشكل 9: مقارنة بين مسارات الطول الجيبي في الجسم الحي ومسارات الطول الجيبي خارج الجسم الحي. مقارنة بين سلالة الجسم الحي ومسارات الطول الجيبي خارج الجسم الحي عند المشي (أخضر) ، الهرولة (أرجواني) ، والعدو (أزرق). الخط الصلب في مسار سلالة الجسم الحي. خط متقطع خارج الجسم الحي مسار الطول الجيبي. الجزء المميز هو التحفيز. بدأ التحفيز بنفس الطول خلال مرحلة تقصير الخطوة. الأسهم التي تشير إلى عابرة الإجهاد والسرعة. الانحرافات عن الجيوب الأنفية هي مقاومة من القوى الخارجية على العضلات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل التكميلي 1: برنامج يستخدم لجمع القوة القصوى متساوية القياس عند الطول الأمثل. يستخدم البرنامج لتحديد الطول الأمثل أثناء النشل فوق الأقصى ودون الحد الأقصى والتحفيز الكزازي. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 2: استجابة نشل قابلة للتطبيق. نشل استجابة الماوس EDL. ترتفع قوة Twitch وتنخفض بسرعة ويجب أن تصل إلى توتر نشط يبلغ ~ 1 V. يجب أن تكون "الضوضاء" ضئيلة بعد الوصول إلى ذروة التوتر النشط. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 3: البرنامج المستخدم لجمع بيانات حلقة العمل. يستخدم البرنامج للتحكم في طول العضلات وتوقيت التحفيز في حلقات العمل خارج الجسم الحي . الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

ملف الترميز التكميلي 1: كود MATLab المستخدم لتقسيم وإنشاء بروتوكول تجريبي لحلقة العمل. كود MATLab الذي تم استخدامه لتقسيم معلومات الخطوة المستهدفة (الطول وتنشيط EMG والقوة) إلى خطوات فردية. يتضمن الرمز تحجيم واستيفاء خطوات المستهدفة إلى أطوال يمكن أن تمتد EDL للفأر خارج الجسم الحي. بالإضافة إلى ذلك ، يتضمن رمزا لتنعيم إشارة EMG ومقارنة التنشيط لتحديد بداية ومدة التحفيز في تجارب حلقة العمل خارج الجسم الحي . الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

بينما تتحرك الكائنات الحية بسلاسة عبر المناظر الطبيعية ، تختلف الأحمال والسلالات الأساسية التي تواجهها العضلات بشكل كبير1،6،23. خلال كل من الحركة في الجسم الحي 1،24 وفي تجارب "الصورة الرمزية" ، يتم تحفيز العضلات دون المستوى الأقصى في ظل ظروف دورية غير مستقرة. العلاقات متساوية الطول والقوة متساوية التوتر ليست مناسبة تماما للتنبؤ بقوة العضلات في ظل هذه الظروف2. يعد فهم تأثيرات الإجهاد غير المستقر (أي العابرين) والتحميل أمرا ضروريا للتنبؤ بإنتاج القوة أثناء الحركة في الجسم الحي ، وبالتالي فهو الأساس المنطقي الرئيسي لتطوير تجارب "الصورة الرمزية" هذه2. تسمح لنا تجارب "Avatar" بالتحكم في تحميل العضلات ومسارات الإجهاد أثناء قياس ناتج القوة. تبحث تقنية "الصورة الرمزية" في استجابة القوة للعضلات في ظروف شبيهة بالجسم الحي ، دون عوامل مربكة للتحكم العصبي وامتثال الأوتار. لإجراء تجارب "الصورة الرمزية" ، سيحتاج الباحثون إلى برنامج يسمح للعضلة بالمرور بتغييرات الطول المحددة مع القدرة على التحفيز بأطوال بداية مختلفة ولفترات متفاوتة (انظر الشكل التكميلي 3 للبرنامج الذي يستخدمه المؤلفون). يحتاج الباحثون إلى تحديد طول عضلة البداية (مم) ، وطول الرحلة (مم) ، وبداية التحفيز (٪ من مدة الدورة) ومدة التحفيز (مللي ثانية) قبل إجراء التجارب (انظر الخطوات 1.3-1.4 للحصول على قيم لهذه المعلمات). بشكل عام ، غالبا ما يكون من المرغوب فيه اختيار خطوات تمثل جميع الخطوات في التجربة (على سبيل المثال ، البدء والنهاية بطول مماثل ، والوصول إلى قوة ذروة مماثلة ، ومتوسط نشاط EMG ، وما إلى ذلك). يمكن أن يكون تحديد ما إذا كانت بيانات EMG / التنشيط والقوة من خطوة محددة تمثل خطوات أخرى في نفس التجربة مفيدة "للضبط" لاحقا ، والذي يمكن القيام به عن طريق رسم حلقات العمل (القوة مقابل الطول) للتجربة بأكملها باستخدام عضلة المستهدف. أثناء الحركة ذات القدمين والرباعية ، يحدد أقصر طول إلى أقصر طول بشكل عام خطوة كاملة (من إصبع القدم إلى أخمص القدمين) ، ولكن يمكن أن يختلف تنشيط EMG. في بعض والعضلات ، يرتبط تنشيط EMG ارتباطا وثيقا بملامسة القدم ، مثل الفئران MG الموضحة هنا22. في الأخرى ، مثل gastrocnemius الجانبي لطيور غينيا ، يحدث تنشيط EMG بشكل عام على أطول طول لتحقيق مزيد من الاستقرار خلال التضاريس غير المعروفة25.

لإجراء تجارب "الصورة الرمزية" ، من المهم تقليل الضوضاء في بيانات القوة خارج الجسم الحي . قياسات القوة حساسة للعديد من المشكلات ، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر تمزق العضلات أثناء الجراحة ، وامتثال الغرز إذا كانت عقدة الحلقة طويلة جدا ، والقياس غير الصحيح لمدخلات الطول والرحلة ، وإجهاد العضلات. غالبا ما يحدث تمزق العضلات عند "تشريح الجيب" (الخطوة 2.2.3) وربط العقدة الحلقية حول الجزء القريب من الوتر (الخطوة 2.2.4). أثناء "تشريح الجيب" ، فإن إبقاء مقص التشريح مسطحا وأفقيا على العضلات سيمنع الأطراف من وخز مؤسسة كهرباء لبنان. بالإضافة إلى ذلك ، فإن سحب مقص التشريح بعيدا وبعيدا أثناء التشريح الحاد سيحد أيضا من التلامس بين مقص التشريح وعضلات EDL. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تبقى العضلات رطبة بمحلول Krebs-Henseliet أثناء التحضير للجراحة وعند استخدامها على الحفارة.

يعد قياس مدخلات الطول بشكل صحيح أكثر تعقيدا. يمكن أن تتأثر القوة السلبية والنشطة للعضلات إذا لم يتم قياس طول البداية و / أو الرحلة بشكل صحيح. يجب أن يتطابق الارتفاع خارج الجسم الحي في التوتر السلبي مع الارتفاع في الجسم الحي في التوتر السلبي (انظر الشكل 1). إحدى مشكلات القياس التي لوحظت في التجارب السابقة هي أن كلا من التوتر السلبي والنشط يمكن أن يتأثر إذا كان طول المسافة (طول البداية إلى أطول طول) صغيرا جدا أو كبيرا جدا. من الناحية النظرية ، يجب أن تصل العضلات إلى ذروة القوة بالقرب من طولها الأمثل (L 0) 26 ، وهذا هو السبب في أننا نستخدم الطول الأمثل (L0) لقياس أطوال العضلات في الجسم الحي في تجارب "الصورة الرمزية" خارج الجسم الحي للتكرار بدقة في إنتاج القوة في الجسم الحي. ستلعب الاختلافات المعمارية بين العضلات دورا في تحديد طول البداية ومعلمات رحلة الطول. على الرغم من أن الطول الأمثل (L0) موجود خلال ظروف متساوية التوتر ومتساوية القياس المحفزة بشكل فوق أقصى حد ، إلا أن استخدامه كمقياس قياس في تجارب "الصورة الرمزية" يمكن أن يسلط الضوء على قيود علاقات القوة والطول والقوة والسرعة أثناء الحركة الدورية التي تحتاج إلى مزيد من التحقيق. في معظم ظروف الحالة المستقرة ، يمكن استخدام الطول اللحظي للعضلة وسرعتها وتنشيطها (أي خصائص طول القوة وسرعة القوة) للتنبؤ بالقوة وخرج العمل بدقة معقولة12،24،27. في ظل الظروف الديناميكية مع التحميل المتغير ، تزداد القوة كدالة للسرعة28 ولها علاقة معقدة مع الإجهاد والتنشيط 29,30. هذا يتناقض مع سرعة القوة متساوية التوتر وخصائص طول القوة متساوية القياس للعضلات28. في الفئران MG ، تعتبر عابرات الإجهاد والسرعة دليلا على التحميل ، مثل ملامسة القدم أو التفاعل مع البيئة (أي التضاريس الوعرة والرياح والتغير المفاجئ في الاتجاه لتجنب الافتراس) (الشكل 9). هذه المسارات سلالة الفئران MG ، مثل معظم الظروف الواقعية ، لديها تغييرات مفاجئة في الحمل المطبق ، وإنتاج القوة ، وإخراج العمل2،28. تهدف هذه الطريقة التجريبية إلى تسليط الضوء على هذه التفاعلات المعقدة بين ديناميكيات الإجهاد والسرعة والتنشيط في ظل ظروف في الجسم الحي لا يتم تفسيرها جيدا من خلال علاقات القوة والطول والقوة والسرعة التقليدية.

يمكن أن تحدث مشكلات أخرى عندما يكون طول بدء العضلات قصيرا جدا أو طويلا. سيؤدي طول البداية القصير جدا إلى انخفاض معدل ارتفاع التوتر أثناء التمدد السلبي والنشط (غير معروض) ، في حين أن طول البداية الطويل جدا سيؤدي إلى زيادة معدل الارتفاع في التوتر السلبي (انظر الشكل 1 ب). يمكن أن يكون استخدام نسبة التوتر النشط إلى التوتر السلبي مفيدا. على سبيل المثال ، في الفئران MG ، يكون التوتر السلبي (N) بشكل عام حوالي نصف التوتر النشط (الشكل 2). إذا بدأت العضلة بطول طويل جدا و / أو امتدت إلى طول طويل جدا ، فقد يكون التوتر السلبي مرتفعا جدا بالنسبة للتوتر النشط (انظر الشكل 1 ب) ، وقد تنخفض القوة بسرعة بسبب التمدد الزائد. أيضا ، من المحتمل أن يؤدي التمدد إلى طول طويل جدا إلى تلف العضلات ويمكن أن يتسبب في إرهاق العضلات بسرعة أكبر. بالإضافة إلى ذلك ، قد يظهر التوتر النشط غير ملتحم إذا كان طول البداية قصيرا جدا و / أو لم يتم شد العضلات إلى طول طويل بما يكفي.

التجارب الأولية ضرورية لتحديد طول البداية والرحلة على أساس L0. قد تكون هناك حاجة إلى تجارب أولية إضافية لضبط مدة التحفيز إذا كانت ديناميكيات تنشيط العضلات المستخدمة مختلفة. هناك حاجة إلى هذه التحسينات لأن تكوين نوع الألياف و / أو ديناميكيات التنشيط للعضلات في الجسم الحي وخارج الجسم الحي قد تكون مختلفة. في نتائجنا التمثيلية (الشكل 4 والشكل 5) ، استخدمنا بروتوكولين لتحفيز EDL للفأر أثناء تجارب خارج الجسم الحي لتكرار إنتاج قوة MG للفئران في الجسم الحي. لتحسين إنتاج القوة في الفأر EDL لتناسب الفئران الحية MG بشكل أفضل ، تمت زيادة مدة التحفيز (الشكل 2 والشكل 3). يتكون Rat MG من أنواع ألياف أبطأ من الماوس EDL31،32،33. كان هذا واضحا في تجارب "الصورة الرمزية" لأن عضلات EDL للفأر خارج الجسم الحي أنتجت قوة أسرع بعد الإثارة ، وانخفضت القوة بمعدل أسرع بعد التعطيل مما لوحظ في الجسم الحي في الفئران MG15 (الشكل 2) ، حتى بعد حساب اختلافات تأخير الإثارة والانكماش بين الظروف في الجسم الحي وخارج الجسم الحي 34. اعتمادا على العضلات المستهدفة خارج الجسم الحي وفي الجسم الحي ، قد تكون هناك حاجة إلى تحسين التحفيز في تجارب "الصورة الرمزية" الأخرى أيضا. يمكن استخدام عضلات الفأر EDL أو العضلات الوحيدة (SOL) في تقنية حلقة العمل خارج الجسم الحي. تم اختيار EDL ك "صورة رمزية" للفئران MG بسبب أوجه التشابه في نوع الألياف العضلية وبنية pennation. من الممكن أن يكون لبعض العضلات بنية معقدة ولا يمكن محاكاتها باستخدام عضلات من القوارض المختبرية ك "صورة رمزية".

في حين أن تجارب "الصورة الرمزية" تحتاج إلى بعض التحسين اليدوي لتكرار أفضل في إنتاج القوة الحية ، فإن هذه التقنية قابلة للتطبيق على مجموعة متنوعة من المختلفة والأنماط الحركية. يمكن أن تكون تقنية "الصورة الرمزية" مفيدة بشكل خاص لفهم إنتاج القوة في الجسم الحي في التي تكون عضلاتها كبيرة جدا أو يتعذر الوصول إليها بطريقة أخرى لإجراء تجارب خارج الجسم الحي . في حين تم إجراء العمل الأولي فقط على الأكبرحجما 35 ، فقد أظهر هذا العمل إمكانية تطبيق هذه التقنية عبر والعضلات والمشية الحركية باستخدام الفئران المختبرية ك "صور رمزية". تعتمد فائدة تجارب "الصورة الرمزية" على مدى دقة استخدام نموذج القوارض المختبرية المريح وغير المكلف والمتاح بسهولة والمحدد جيدا (أي EDL للفأر) لفهم ميكانيكا الجسم الحي للعضلات المختلفة من أنواع مختلفة من الفقاريات. تشير نتائج تجارب "الصورة الرمزية" الأولية المعروضة هنا (الفئران MG) وأماكن أخرى (طيور غينيا LG19) إلى أنه يمكن استخدام هذه التقنية للتنبؤ بدقة بالقوى في الجسم الحي ويمكن تطبيقها على الأخرى. يجب أن توسع التطبيقات المستقبلية لهذه الطريقة أنواع العضلات التي تم استخدامها كأهداف و "صورة رمزية" أثناء التجارب خارج الجسم الحي وفي المختبر . تسمح لنا تجارب "Avatar" بفحص العوامل التي تؤثر على قوة العضلات وناتج العمل أثناء الحركة في الجسم الحي عندما يختلف تحميل العضلات وإجهادها فجأة1،2،19. على وجه التحديد ، تسمح لنا طريقة "الصورة الرمزية" بفحص تأثيرات عابري الإجهاد والسرعة على قوة العضلات التي لا يتم التقاطها بواسطة نماذج العضلات التقليدية أو تجارب حلقة العمل الجيبية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

يقر جميع المؤلفين بعدم وجود تضارب في المصالح.

Acknowledgments

نشكر الدكتور نيكولاي كونو على توفير البيانات المستخدمة في هذه الدراسة. بتمويل من NSF IOS-2016049 و NSF DBI-2021832.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Braided Non-Absorbable Silk Suture 4-0  Mersilk  734H
Calcium Chloride Dihydrate (CaCl2) Sigma-Aldrich 1086436 Krebs-Henseleit solution
Dextrose  Sigma-Aldrich D9434 Krebs-Henseleit solution
HEPES Sigma-Aldrich PHR1428 Krebs-Henseleit solution
Hydorchloric Acid (HCl)  Sigma-Aldrich 1.37055 Krebs-Henseleit solution
LabView Data Collection  Lab-View
Magnesium Sulfate (MgSO4) Sigma-Aldrich M7506 Krebs-Henseleit solution
Potassium Chloride (KCl)  Sigma-Aldrich P3911 Krebs-Henseleit solution
Potassium Phosphate Monobasic (KH2PO4) Sigma-Aldrich 5.43841 Krebs-Henseleit solution
S88 Stimulator Grass M643H05 Available for purchase on Ebay
Series 300B Lever System Aurora 1200A includes water-jacket tissue bath
Sodium Bicarbonate (NaHCO3) Sigma-Aldrich S5761 Krebs-Henseleit solution
Sodium Chloride (NaCl)  Sigma-Aldrich S9888 Krebs-Henseleit solution
Sodium Hydroxide (NaOH) Sigma-Aldrich S5881 Krebs-Henseleit solution
Wild Type Mice Jackson Laboratory B6C3Fe a/a Ttn mdm/J

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Dickinson, M. H. How Animals move: an integrative view. Science. 288 (5463), 100-106 (2000).
  2. Sponberg, S., Abbott, E., Sawicki, G. S. Perturbing the muscle work loop paradigm to unravel the neuromechanics of unsteady locomotion. Journal of Experimental Biology. 226 (7), 243561 (2023).
  3. Daley, M. A., Biewener, A. A. Running over rough terrain reveals limb control for intrinsic stability. Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (42), 15681-15686 (2006).
  4. Daley, M. A., Usherwood, J. R., Felix, G., Biewener, A. A. Running over rough terrain: guinea fowl maintain dynamic stability despite a large unexpected change in substrate height. Journal of Experimental Biology. 209 (1), 171-187 (2006).
  5. Daley, M. A. Understanding the agility of running birds: Sensorimotor and mechanical factors in avian bipedal locomotion. Integrative and Comparative Biology. 58 (5), 884-893 (2018).
  6. Biewener, A. A. Animal locomotion. , Oxford University Press. Oxford New York. (2003).
  7. Robertson, B. D., Sawicki, G. S. Unconstrained muscle-tendon workloops indicate resonance tuning as a mechanism for elastic limb behavior during terrestrial locomotion. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (43), E5891-E5898 (2015).
  8. Josephson, R. K. Mechanical power output from striated muscle during cyclic contraction. The Journal of Experimental Biology. 114, 493-512 (1985).
  9. Ahn, A. N. How muscles function - the work loop technique. Journal of Experimental Biology. 215 (7), 1051-1052 (2012).
  10. Sawicki, G. S., Robertson, B. D., Azizi, E., Roberts, T. J. Timing matters: tuning the mechanics of a muscle-tendon unit by adjusting stimulation phase during cyclic contractions. Journal of Experimental Biology. 218 (19), 3150-3159 (2015).
  11. Libby, T., Chukwueke, C., Sponberg, S. History-dependent perturbation response in limb muscle. Journal of Experimental Biology. 223 (1), (2020).
  12. Askew, G. N., Marsh, R. L., Ellington, C. P. The mechanical power output of the flight muscles of blue-breasted quail ( Coturnix chinensis ) during take-off. Journal of Experimental Biology. 204 (21), 3601-3619 (2001).
  13. Sponberg, S., Libby, T., Mullens, C. H., Full, R. J. Shifts in a single muscle's control potential of body dynamics are determined by mechanical feedback. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 366 (1570), 1606-1620 (2011).
  14. Loeb, G. E., Brown, I. E., Cheng, E. J. A hierarchical foundation for models of sensorimotor control. Experimental Brain Research. 126 (1), 1-18 (1999).
  15. Wakeling, J. M., Tijs, C., Konow, N., Biewener, A. A. Modeling muscle function using experimentally determined subject-specific muscle properties. Journal of Biomechanics. 117, 110242 (2021).
  16. The Mathworks. MATLAB:R2021a. The Mathworks. , (2021).
  17. Tenan, M. S., Tweedell, A. J., Haynes, C. A. Analysis of statistical and standard algorithms for detecting muscle onset with surface electromyography. PLOS ONE. 12 (5), 0177312 (2017).
  18. Roberts, T. J., Gabaldón, A. M. Interpreting muscle function from EMG: lessons learned from direct measurements of muscle force. Integrative and Comparative Biology. 48 (2), 312-320 (2008).
  19. Rice, N., Bemis, C. M., Daley, M. A., Nishikawa, K. Understanding muscle function during perturbed in vivo locomotion using a muscle avatar approach. Journal of Experimental Biology. 226 (13), 244721 (2023).
  20. Silva Cornachione, A., CaçãoOliveiraBenedini-Elias, P., Cristina Polizello , P., César Carvalho, L., CláudiaMattiello-Sverzut, A. Characterization of Fiber types in different muscles of the hindlimb in female weanling and adult wistar rats. Acta Histochemica Et Cytochemica. 44 (2), 43-50 (2011).
  21. Hämäläinen, N., Pette, D. The histochemical profiles of fast fiber types IIB, IID, and IIA in skeletal muscles of mouse, rat, and rabbit. Journal of Histochemistry & Cytochemistry. 41 (5), 733-743 (1993).
  22. Charles, J. P., Cappellari, O., Spence, A. J., Hutchinson, J. R., Wells, D. J. Musculoskeletal geometry, muscle architecture and functional specialisations of the mouse hindlimb. PLOS ONE. 11 (4), 0147669 (2016).
  23. Nishikawa, K. Titin: A Tunable spring in active muscle. Physiology (Bethesda, Md). 35 (3), 209-217 (2020).
  24. Dick, T. J. M., Biewener, A. A., Wakeling, J. M. Comparison of human gastrocnemius forces predicted by Hill-type muscle models and estimated from ultrasound images). The Journal of Experimental Biology. 220, 1643-1653 (2017).
  25. Daley, M. A., Biewener, A. A. Leg muscles that mediate stability: mechanics and control of two distal extensor muscles during obstacle negotiation in the guinea fowl. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 366 (1570), 1580-1591 (2011).
  26. Seth, A., Sherman, M., Reinbolt, J. A., Delp, S. L. OpenSim: a musculoskeletal modeling and simulation framework for in silico investigations and exchange. Procedia IUTAM. 2, 212-232 (2011).
  27. Sandercock, T. G., Heckman, C. J. Doublet potentiation during eccentric and concentric contractions of cat soleus muscle. Journal of Applied Physiology. 82 (4), Bethesda, Md. 1219-1228 (1997).
  28. Marsh, R. L. How muscles deal with real-world loads: the influence of length trajectory on muscle performance. The Journal of Experimental Biology. 202, 3377-3385 (1999).
  29. Hessel, A. L., Monroy, J. A., Nishikawa, K. C. Non-cross bridge viscoelastic elements contribute to muscle force and work during stretch-shortening cycles: evidence from whole muscles and permeabilized fibers. Frontiers in Physiology. 12, 648019 (2021).
  30. Lindstedt, S., Nishikawa, K. Huxleys' missing filament: form and function of titin in vertebrate striated muscle. Annual Review of Physiology. 79, 145-166 (2017).
  31. Abbate, F., De Ruiter, C. J., Offringa, C., Sargeant, A. J., De Haan, A. In situ rat fast skeletal muscle is more efficient at submaximal than at maximal activation levels. Journal of Applied Physiology. 92 (5), 2089-2096 (2002).
  32. Eng, C. M., Smallwood, L. H., Rainiero, M. P., Lahey, M., Ward, S. R., Lieber, R. L. Scaling of muscle architecture and fiber types in the rat hindlimb. Journal of Experimental Biology. 211 (14), 2336-2345 (2008).
  33. Manuel, M., Chardon, M., Tysseling, V., Heckman, C. J. Scaling of motor output, from mouse to humans. Physiology (Bethesda, Md). 34 (1), 5-13 (2019).
  34. Zajac, F. E. Muscle and tendon: properties, models, scaling, and application to biomechanics and motor control. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 17 (4), 359-411 (1989).
  35. Rice, N. Understanding muscle function during in vivo locomotion using a novel muscle avatar approach. ProQuest Dissertations and Theses. , https://libproxy.nau.edu/login?url=https://www.proquest.com/dissertationstheses/understanding-muscle-function-during-em-vivo/docview/2444890224/se-2?accountid=12706 (2020).

Tags

الصورة الرمزية ، تجارب حلقة العمل خارج الجسم الحي ، في إجهاد الجسم الحي ، سلوكيات حركة التنشيط ، إنتاج قوة العضلات ، إخراج العمل ، الأنظمة العصبية والميكانيكية ، التنظيم البيولوجي ، التسلسل الهرمي للتحكم ، نماذج العضلات ، قوة العضلات في الجسم الحي ، عمل العضلات في الجسم الحي ، ميكانيكا العضلات ، ظروف الإجهاد والتحميل ، الحركة في الجسم الحي ، عابرة الإجهاد والسرعة ، التنشيط العصبي ، حركية الجهاز العضلي الهيكلي ، أحمال البيئة ، تقنية الصورة الرمزية
"Avatar" ، تجارب حلقة عمل معدلة <em>خارج</em> الجسم الحي باستخدام الإجهاد <em>والتنشيط في الجسم الحي</em>
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bemis, C., Nishikawa, K. "Avatar", a … More

Bemis, C., Nishikawa, K. "Avatar", a Modified Ex vivo Work Loop Experiments Using In vivo Strain and Activation. J. Vis. Exp. (198), e65610, doi:10.3791/65610 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter