Arbeidssløyfe - Work loop
Den Arbeidet sløyfe teknikken brukes i muskelfysiologi å evaluere mekaniske arbeid og kraftutgang av skjelett eller hjertemuskelsammentrekninger via in vitro muskel testing av hele muskler, fiberbunter eller enkeltmuskelfibrene. Denne teknikken brukes hovedsakelig for sykliske sammentrekninger som rytmisk klapping av fuglevinger eller slag av hjertekammermuskel .
For å simulere den rytmiske forkortelsen og forlengelsen av en muskel (f.eks. Mens du beveger en lem), svinger en servomotor musklen ved en gitt frekvens og bevegelsesområde observert i naturlig oppførsel. Samtidig påføres et utbrudd av elektriske pulser på muskelen i begynnelsen av hver forkortende forlengelsessyklus for å stimulere muskelen til å produsere kraft. Siden kraft og lengde går tilbake til sine opprinnelige verdier på slutten av hver syklus, gir et plot av kraft vs. lengde en 'arbeidssløyfe'. Intuitivt representerer området lukket av sløyfen netto mekanisk arbeid utført av muskelen i løpet av en enkelt syklus.
Historie
Klassiske studier fra 1920- og 1960-tallet karakteriserte de grunnleggende egenskapene til muskelaktivering (via handlingspotensial fra motorneuroner ), kraftutvikling , lengdeendring og forkortelse av hastighet. Imidlertid ble hver av disse parametrene målt mens andre holdt konstant, noe som gjorde interaksjonen deres uklar. For eksempel kan kraft-hastighet og kraft-lengde ble forhold bestemt ved konstante hastigheter og belastninger. Likevel under bevegelse er verken muskelhastighet eller muskelkraft konstant. Under løping opplever for eksempel muskler i hvert ben tidsvarierende krefter og tidsvarierende forkortingshastigheter når beinet avtar og akselererer fra hælstrekk til tå . I slike tilfeller kan klassisk kraftlengde (konstant hastighet) eller krafthastighet (konstant lengde) ikke være tilstrekkelig til å fullstendig forklare muskelfunksjon.
I 1960 ble arbeidsløyfemetoden introdusert for å utforske muskelsammentrekninger av både variabel hastighet og variabel kraft. Disse tidlige arbeidssløyfeeksperimentene karakteriserte den mekaniske oppførselen til asynkrone muskler (en type insektflyging ). På grunn av den asynkrone muskelens spesialiserte natur, var arbeidssløyfemetoden bare anvendelig for insektmuskeleksperimenter . I 1985 moderniserte Robert K. Josephson teknikken for å evaluere egenskapene til synkrone muskler som driver katydidflyging ved å stimulere muskelen med jevne mellomrom under hver forkortende-forlengelsessyklus. Josephsons innovasjon generaliserte arbeidssløyfeteknikken for bred bruk blant både virvelløse muskler og virveldyrsmuskeltyper , og dypet frem felt innen muskelfysiologi og komparativ biomekanikk .
Arbeidsløkkeeksperimenter tillot også større forståelse for rollen som aktivering og avslappende kinetikk i muskelkraft og arbeidsutgang. For eksempel, hvis en muskel slår seg av og på saktere, vil kurvene for forkortelse og forlengelse være grunnere og tettere sammen, noe som resulterer i redusert arbeidsytelse. Det ble også oppdaget "negative" arbeidsløkker, som viser at muskelforlengelse ved høyere kraft enn forkortningskurven kan resultere i netto energiabsorpsjon av muskelen, som i tilfelle retardasjon eller konstant hastighet i nedoverbakke.
I 1992 ble arbeidssløyfetilnærmingen utvidet ytterligere ved den nye bruken av målinger av beinstamme for å oppnå in vivo- kraft. Kombinert enten med estimater av muskellengdeendringer eller med direkte metoder (f.eks sonomicrometry ), in vivo kraft teknologi aktivert den første in vivo arbeide sløyfe målinger.
Analyse av arbeidssløyfe
Positivt, negativt og netto arbeid
En arbeidssløyfe kombinerer to separate plott: kraft vs. tid og lengde mot tid. Når kraft er tegnet mot lengde, opprettes en arbeidssløyfediagram: hvert punkt langs sløyfen tilsvarer en kraft og en lengdeverdi på et unikt tidspunkt. Når tiden går, sporer de plottede punktene formen på arbeidssløyfen. Retningen som arbeidssløyfen blir sporet gjennom tid er et kritisk trekk ved arbeidssløyfen. Når muskelen forkortes mens den genererer en strekkraft (dvs. "trekke"), blir det ifølge konvensjonen sagt at den utfører positivt arbeid i den fasen. Når muskelen forlenges (mens den fremdeles genererer en strekkraft), utfører muskelen negativt arbeid (eller alternativt at det utføres positivt arbeid på muskelen). Dermed sies det at en muskelgenererende kraft mens den forkortes gir "positivt arbeid" (dvs. genererer arbeid), mens en muskelgenererende kraft mens den forlenger, gir "negativt arbeid" (dvs. absorberende arbeid). Over en hel syklus er det vanligvis noe positivt og noe negativt arbeid; hvis den samlede syklusen er mot klokken mot klokken, representerer arbeidsløkken henholdsvis total arbeidsgenerering vs. arbeidsabsorpsjon. For eksempel under et hopp genererer benmuskulaturen arbeid for å øke kroppens hastighet vekk fra bakken, og gir arbeidssløyfene mot klokken. Når du lander, absorberer de samme musklene imidlertid arbeid for å redusere kroppens hastighet, og gir arbeidssløyfene med klokken. Videre kan en muskel produsere positivt arbeid etterfulgt av negativt arbeid (eller omvendt) i en forkortende forlengelsessyklus, forårsaker en 'figur 8' arbeidssløyfeform som inneholder både medurs og mot urvisersegmentene.
Siden arbeid er definert som kraft multiplisert med forskyvning, viser arealet av grafen den mekaniske arbeidsutgangen til muskelen. I et typisk arbeidsgenererende tilfelle viser muskelen en hurtig krøllete økning i kraft når den forkorter, etterfulgt av en langsommere nedgang under eller kort tid før muskelen begynner syklusens forlengelsesfase. Området under forkortingskurven (øvre kurve) gir det totale arbeidet som gjøres av forkortingsmusklen, mens området under forlengelseskurven (nedre kurve) representerer arbeidet som absorberes av muskelen og forvandles til varme (utført av enten miljøkrefter eller antagonistisk muskler). Å trekke sistnevnte fra førstnevnte gir netto mekanisk arbeidsutgang for muskelsyklusen, og å dele det med syklusvarighet gir netto mekanisk kraftuttak.
Infererer muskelfunksjon fra arbeidsløyfeform
Hypotetisk vil en firkantet arbeidssløyfe (areal = maks kraft x maks forskyvning) representere det maksimale arbeidsutbyttet til en muskel som opererer innenfor et gitt kraft- og lengdeområde. Motsatt vil en flat linje (areal = 0) representere minimum arbeidsutgang. For eksempel vil en muskel som genererer kraft uten å endre lengde ( isometrisk sammentrekning ) vise en vertikal linje "arbeidssløyfe". Gjensidig vil en muskel som forkortes uten å endre kraft ( isotonisk sammentrekning ) vise en vannrett linje 'arbeidssløyfe'. Til slutt kan en muskel oppføre seg som en fjær som strekker seg lineært når en kraft påføres. Dette siste tilfellet vil gi en skrå rett linje 'arbeidssløyfe' der linjens skråning er fjærstivheten .
Arbeidsløkke eksperimentell tilnærming
Arbeidsløkkeeksperimenter utføres oftest på muskelvev isolert enten fra virvelløse dyr (f.eks. Insekter og krepsdyr ) eller små virveldyr (f.eks. Fisk , frosker , gnagere ). Eksperimentell teknikk beskrevet nedenfor gjelder både in vitro og in situ tilnærminger.
Eksperimentelt oppsett
Etter humane prosedyrer som er godkjent av IACUC , blir muskelen isolert fra dyret (eller tilberedt in situ), festet til muskeltestapparatet og badet i oksygenert Ringers løsning eller Krebs-Henseleit-løsning opprettholdt ved konstant temperatur. Mens den isolerte muskelen fremdeles lever, bruker eksperimentatoren deretter to manipulasjoner for å teste muskelfunksjonen: 1) Elektrisk stimulering for å etterligne virkningen av et motorneuron og 2) belastning (endring av muskelengde) for å etterligne den rytmiske bevegelsen til en lem. For å fremkalle muskelsammentrekning stimuleres muskelen av en serie elektriske pulser levert av en elektrode for å stimulere enten motorenerven eller selve muskelvevet. Samtidig svinger en datastyrt servomotor i testapparatet muskelen mens den måler kraften som genereres av den stimulerte muskelen. Følgende parametere er modulert av eksperimentatoren for å påvirke muskelkraft, arbeid og kraftuttak:
- Stimuleringsvarighet: Tidsperioden der muskelen får elektrisk stimulering
- Stimulasjonspulsfrekvens: Antall stimuleringsimpulser per stimuleringsvarighet
- Stimuleringsfase: Tidsforsinkelsen mellom stimuleringens begynnelse og endring av muskellengden
- Trekkamplitude: Forskjellen mellom maksimums- og minimumsverdiene for lengdesvingningsmønsteret
- Stamme / syklusfrekvens: Antall kortere forlengelsesperioder per tidsperiode
Beregning av muskelarbeid og kraft fra eksperimentelle data
Beregning av enten muskelarbeid eller kraft krever innsamling av muskelkraft- og lengdedata (eller hastighet) med en kjent samplingsfrekvens. Netto arbeid beregnes vanligvis enten fra øyeblikkelig kraft (muskelkraft x muskelhastighet) eller fra området som er omsluttet av arbeidssløyfen på en kraft vs. lengdeplott. Begge metodene er matematisk ekvivalente og svært nøyaktige, men 'area in the loop' -metoden (til tross for sin enkelhet) kan være kjedelig å utføre for store datasett.
Metode 1: Øyeblikkelig strømmetode
Trinn 1) Få muskelhastighet ved numerisk differensiering av muskellengdedata. Trinn 2) Få øyeblikkelig muskelkraft ved å multiplisere muskelkraftdata med muskelhastighetsdata for hver gangsprøve. Trinn 3) Få netto arbeid (et enkelt tall) ved numerisk integrering av muskelkraftdata. Trinn 4) Få nettokraft (et enkelt tall) ved å dele nettoarbeidet på syklusens varighet.
Metode 2: Område inne i loop-metoden
Området inne i arbeidssløyfen kan kvantifiseres enten 1) digitalt ved å importere et arbeidssløyfebilde til ImageJ , spore arbeidssløyfeformen og kvantifisere området. Eller, 2) manuelt ved å skrive ut en papirkopi av arbeidssløyfediagrammet, kutte det indre området og veie det på en analytisk balanse . Netto arbeid blir deretter delt på syklusens tid for å oppnå nettokraft.
Anvendelser på skjelettmuskelfysiologi
En betydelig fordel med arbeidssløyfeteknikken fremfor vurderinger av skjelettmuskulær kraft hos mennesker er at forvirrende faktorer assosiert med skjelettmuskelfunksjon maskerer ekte kraftproduksjon på skjelettmuskelenivå. De mest bemerkelsesverdige forvirrende faktorene inkluderer innflytelsen fra sentralnervesystemet som begrenser muligheten til å generere maksimal effekt, undersøkelser av hele muskelgrupper i stedet for individuelle skjelettmuskler, kroppslig treghet og motivasjonsaspekter assosiert med vedvarende muskelaktivitet. I tillegg påvirkes ikke muskeltretthet av utmattelse i sentralnervesystemet. Ved å ta i bruk arbeidssløyfeteknikken i en isolert muskelmodell, elimineres disse forvirrende faktorene, og muliggjør en nærmere undersøkelse av muskelspesifikke endringer i arbeidssløyfeeffekt som respons på en stimulus. Videre tillater bruk av arbeidssløyfeteknikken i motsetning til andre former for sammentrekning, som isometrisk , isotonisk og isovelocity , en bedre representasjon av endringene i skjelettmuskulaturens mekaniske arbeid som svar på en uavhengig variabel, slik som den direkte påføring av koffein , natriumbikarbonat og taurin på en isolert skjelettmuskulatur, og endringene i arbeidsløyfeeffekt og utmattelsesmotstand under aldring og som svar på et obesogent kosthold.
Bruksområder for bevegelse av dyr
Identifisere muskelfunksjonelle roller: motorer, bremser, fjærer eller stag
Som en "motor" virker muskelen på miljøet, noe som resulterer i positivt arbeid i arbeidssløyfen mot urviseren. Når positivt arbeid skjer vil lengden på muskelen øke etterfulgt av en økning i kraft før den når en topp. Når toppen er nådd, vil muskelen forkorte sammen med en redusert kraft. Et eksempel på positivt arbeid i miljøet er kamskjell som svømmer.
Som en "brems" er muskelen i stand til å absorbere energi fra miljøet. Dette resulterer i negativt arbeid i arbeidssløyfen med urviseren. Resultatet er en forkortelse av musklene, samt en reduksjon i kraftutgang. Etter at muskelen er ferdig med å absorbere energien fra miljøet, går lengden på muskelen tilbake til normal med økt kraft. I kakerlakker er det ben som fungerer som "bremser" for å stoppe dyrets bevegelse.
Som en "kilde" er musklene i stand til å skifte mellom bevegelsestilstander, og produserer dermed negativt arbeid. Dette negative arbeidet er resultatet av bevegelse og endring av muskelposisjon i fugleflukt og menneskelige ben for å produsere mer energi. "Fjærene" i disse musklene absorberer energien fra omgivelsene og omdirigerer den, og sender deretter ut den absorberte energien for å gjøre gjentatte bevegelser mer energieffektive.
Som en "stiv" kan muskelen sende ut en kraft og deretter holde muskellengden. I fiskebevegelse beveger kroppen seg frem og tilbake for å produsere arbeid, men når fisken beveger seg, beveger musklene energien nedover fiskens lengde. Når energien passerer muskelen, holder musklen seg som en "stiv". Lengden på muskelen som en "stiver" forblir konstant.
Asymmetriske banelengder
Opprinnelig påførte arbeidsløfter en sinusformet lengdeendring på muskelen, med like lang forlengelse og forkortelse. Imidlertid har endring i vivo muskellengde ofte større enn halvparten av forkortelsen av syklusen, og mindre enn halvparten av forlengelsen. Å pålegge disse "asymmetriske" strekk-forkorte syklusene kan resultere i høyere arbeids- og kraftutganger, som vist i treefrog-anropsmuskulatur.
