Functionele isolatie van enkele motoreenheden van Rat Medial Gastrocnemius Muscle

Motoreenheden (MU’s) zijn de kleinste functionele eenheden van skeletspieren. Daarom is het begrijpen van hun functie, plasticiteit en contractiele eigenschappen, evenals de mechanismen van hun krachtregulatie, cruciaal voor vooruitgang in de spierfysiologie. De basiscontractieleigenschappen van M’s en de verhoudingen van hun fysiologische types zijn gedocumenteerd voor tal van spieren, voornamelijk de achterpootspieren bij proefdieren. Echter, zowel de plasticiteit van MU eigenschappen en de mechanismen van MU kracht regelgeving zijn nog steeds niet volledig begrepen.

Het principe van de beschreven methode is uitgebreide denervation van de achterpootspieren behalve de onderzochte en laminectomie bij de lendenwervels om dunne ventrale worteltjes voor te bereiden, elk met een enkele “functionele” motoraxon, gestimuleerd om de kracht en het actiepotentieel van het MU vast te leggen. Met behulp van de techniek beschreven in dit document, is het mogelijk om meer dan de helft van de MUs van de mediale gastrocnemius spier te isoleren in een succesvol experiment. De rattenmediale gastrocnemius bestaat uit gemiddeld 52 MU’s (vrouwtjes) of 57 MU’s (mannetjes) van drie fysiologische types: S (langzaam), FR (snel resistent) en FF (snel vetbaar)^1,2, en hebben variabele contractiele eigenschappen³. Voor experimenten waarbij gemiddelde waarden voor MU’s in de controle- en experimentele groepen worden vergeleken, zijn isolatie en registratie van 10-30 MU’s voor elk van deze groepen noodzakelijk. Kritisch, individuele MU’s kunnen toegankelijk zijn voor stimulatie voor perioden van meer dan een uur. Bovendien, aangezien deze techniek het mogelijk maakt voor het registreren van zowel MU kracht en actie mogelijkheden, deze methode is geschikt voor het bestuderen van verschijnselen in verband met kracht productie, het beoordelen van het effect van vermoeidheid, en het observeren van de relatie tussen de kracht en actie mogelijkheden.

Eerdere studies hebben bevestigd dat MU contractiele eigenschappen zijn plastic en kan worden gemoduleerd door tal van interventies. Experimenten met behulp van de hier beschreven techniek zijn uitgevoerd op rat mediale gastrocnemius⁴ of andere achterpootspieren van de rat^{5,6 en} op kat spieren⁷, met behulp van een soortgelijke methode van enkele MU isolatie. Een andere reeks experimenten met treinen van stimuli die bij variabele interpulsintervallen werden uitgevoerd, leverden waarnemingen op met betrekking tot motorische controleprocessen, en de resultaten in het algemeen richten de aandacht op de geschiedenis van stimulatie, met inbegrip van aanzienlijke effecten van een verschuiving in tijdschaal van zelfs één stimulus, cruciaal voor krachtproductie^8,9.

M’s kunnen ook worden bestudeerd met behulp van alternatieve methoden. Ten eerste, een methode is directe stimulatie van motoneurons. Burke gebruikte intracellulaire stimulatie van motoneurons in cat medial gastrocnemius en soleus met glasmicro-elektroden die parallel worden gebruikt om de elektrofysiologische eigenschappen van deze neuronen^1,10te bepalen. Andere methoden zijn voorgesteld om MUs studie in menselijke spieren, die aanzienlijk lagere interventie vereisen. Voor al deze methoden, de stimulerende en opnames elektroden worden ingevoegd in de spier of zenuw, en kracht wordt geregistreerd van de vinger of van de voet. De eerste van deze methoden werd gebruikt om MUs te bestuderen in de eerste dorsale interosseous spier. Voor deze spier, samentrekkend met een lage kracht, in het elektromyogram geregistreerd met de naald elektrode ingevoegd in de spier de actie mogelijkheden van slechts een actieve motorische eenheid werden geïdentificeerd. Vervolgens werden de fragmenten van een spierkracht die parallel en na elk actiepotentieel werden geregistreerd, gemiddeld (spike-triggered middeling). Deze methode maakt extractie van de kracht van een motorische eenheid uit de spierkracht opname¹¹. Echter, de methodologische zwakte van deze procedure is dat er geen enkele twitch kracht, maar eerder fragmenten van tetanische weeën werden gemiddeld. Menselijke MUs kan ook worden bestudeerd met behulp van de tweede methode van intramusculaire elektrische microstimulatie met behulp van een elektrode ingevoegd in de spier¹², die een fragment van een axonale boom stimuleert, wat leidt tot activering van een enkele motorunit. De derde methode is microstimulatie met een elektrode ingebracht in de zenuw. Wanneer de elektrode slechts één motoraxon in de zenuw activeert, komt slechts één motorunit samen^13. Deze laatste methoden hebben een aantal beperkingen, waaronder stabiliteit en kwaliteit van de opname, ethische beperkingen en toegang tot het experimentele materiaal. Dit protocol is op grote schaal gebruikt bij katten in de jaren ’70 en ’80¹⁴.