Loop de trabalho - Work loop
A técnica de loop de trabalho é usada na fisiologia muscular para avaliar o trabalho mecânico e a potência das contrações do músculo esquelético ou cardíaco por meio de testes musculares in vitro de músculos inteiros, feixes de fibras ou fibras musculares individuais. Essa técnica é usada principalmente para contrações cíclicas, como o bater rítmico das asas de um pássaro ou o bater do músculo ventricular do coração .
Para simular o encurtamento e alongamento rítmico de um músculo (por exemplo, ao mover um membro), um servo motor oscila o músculo em uma determinada frequência e amplitude de movimento observada no comportamento natural. Simultaneamente, uma explosão de pulsos elétricos é aplicada ao músculo no início de cada ciclo de encurtamento-alongamento para estimular o músculo a produzir força. Uma vez que a força e o comprimento retornam aos seus valores iniciais no final de cada ciclo, um gráfico de força vs. comprimento produz um 'loop de trabalho'. Intuitivamente, a área delimitada pela alça representa o trabalho mecânico realizado pelo músculo durante um único ciclo.
História
Estudos clássicos de 1920 a 1960 caracterizaram as propriedades fundamentais da ativação muscular (via potenciais de ação dos neurônios motores ), desenvolvimento de força , mudança de comprimento e velocidade de encurtamento. No entanto, cada um desses parâmetros foi medido mantendo os outros constantes, tornando suas interações pouco claras. Por exemplo, as relações força-velocidade e força-comprimento foram determinadas a velocidades e cargas constantes. No entanto, durante a locomoção, nem a velocidade muscular nem a força muscular são constantes. Na corrida, por exemplo, os músculos de cada perna experimentam forças variáveis e velocidades de encurtamento variáveis com o tempo, à medida que a perna desacelera e acelera do calcanhar à ponta do pé . Em tais casos, experimentos clássicos de força-comprimento (velocidade constante) ou força-velocidade (comprimento constante) podem não ser suficientes para explicar completamente a função muscular.
Em 1960, o método do loop de trabalho foi introduzido para explorar as contrações musculares de velocidade e força variável. Esses primeiros experimentos de loop de trabalho caracterizaram o comportamento mecânico do músculo assíncrono (um tipo de músculo de vôo do inseto ). No entanto, devido à natureza especializada do músculo assíncrono, o método do loop de trabalho só era aplicável para experimentos com músculos de insetos . Em 1985, Robert K. Josephson modernizou a técnica para avaliar as propriedades dos músculos síncronos que impulsionam o voo das catídides , estimulando o músculo em intervalos regulares durante cada ciclo de encurtamento-alongamento. A inovação de Josephson generalizou a técnica do loop de trabalho para amplo uso entre os tipos de músculos invertebrados e vertebrados , avançando profundamente nos campos da fisiologia muscular e biomecânica comparativa .
Os experimentos de loop de trabalho também permitiram uma maior apreciação do papel da cinética de ativação e relaxamento na potência muscular e na produção de trabalho. Por exemplo, se um músculo liga e desliga mais lentamente, as curvas de encurtamento e alongamento serão mais rasas e mais próximas, resultando em diminuição da produção de trabalho. Loops de trabalho "negativos" também foram descobertos, mostrando que o alongamento do músculo com uma força maior do que a curva de encurtamento pode resultar na absorção de energia pelo músculo, como no caso da desaceleração ou caminhada em declive a velocidade constante.
Em 1992, a abordagem do loop de trabalho foi estendida ainda mais com o novo uso de medições de deformação óssea para obter força in vivo . Combinado com estimativas de alterações de comprimento muscular ou com métodos diretos (por exemplo, sonomicrometria ), a tecnologia de força in vivo permitiu as primeiras medições de loop de trabalho in vivo .
Análise do loop de trabalho
Positivo, negativo e trabalho líquido
Um loop de trabalho combina dois gráficos separados: força vs. tempo e comprimento vs. tempo. Quando a força é plotada em relação ao comprimento, um gráfico de loop de trabalho é criado: cada ponto ao longo do loop corresponde a um valor de força e comprimento em um ponto único no tempo. Conforme o tempo avança, os pontos traçados traçam a forma do loop de trabalho. A direção em que o loop de trabalho é traçado ao longo do tempo é um recurso crítico do loop de trabalho. À medida que o músculo encurta enquanto gera uma força de tração (isto é, "puxar"), então, por convenção, diz-se que o músculo está realizando um trabalho positivo durante essa fase. Conforme o músculo se alonga (enquanto ainda gera uma força de tração), o músculo está realizando um trabalho negativo (ou, alternativamente, esse trabalho positivo está sendo realizado no músculo). Assim, diz-se que um músculo que gera força durante o encurtamento produz 'trabalho positivo' (isto é, gera trabalho), ao passo que um músculo que gera força enquanto se alonga produz 'trabalho negativo' (isto é, trabalho absorvente). Ao longo de um ciclo inteiro, normalmente há algum trabalho positivo e outro negativo; se o ciclo geral for no sentido anti-horário vs. horário, o loop de trabalho representa a geração geral de trabalho vs. absorção de trabalho, respectivamente. Por exemplo, durante um salto, os músculos das pernas geram trabalho para aumentar a velocidade do corpo longe do solo, produzindo loops de trabalho no sentido anti-horário. Ao pousar, no entanto, os mesmos músculos absorvem o trabalho para diminuir a velocidade do corpo, produzindo loops de trabalho no sentido horário. Além disso, um músculo pode produzir trabalho positivo seguido de trabalho negativo (ou vice-versa) dentro de um ciclo de encurtamento-alongamento, causando uma forma de loop de trabalho de 'figura 8' contendo segmentos no sentido horário e anti-horário.
Como o trabalho é definido como a força multiplicada pelo deslocamento, a área do gráfico mostra a produção de trabalho mecânico do músculo. Em um exemplo típico de geração de trabalho, o músculo mostra um rápido aumento curvilíneo de força à medida que encurta, seguido por um declínio mais lento durante ou pouco antes de o músculo iniciar a fase de alongamento do ciclo. A área abaixo da curva de encurtamento (curva superior) dá o trabalho total feito pelo músculo encurtado, enquanto a área abaixo da curva de alongamento (curva inferior) representa o trabalho absorvido pelo músculo e transformado em calor (feito por forças ambientais ou antagônicas músculos). Subtraindo o último do primeiro, obtém-se a produção líquida de trabalho mecânico do ciclo muscular e, dividindo-a pela duração do ciclo, obtém-se a produção líquida de potência mecânica.
Inferir a função muscular da forma do loop de trabalho
Hipoteticamente, um loop de trabalho quadrado (área = força máxima x deslocamento máximo) representaria a produção máxima de trabalho de um músculo operando dentro de uma determinada faixa de força e comprimento. Por outro lado, uma linha plana (área = 0) representaria a produção mínima de trabalho. Por exemplo, um músculo que gera força sem alterar o comprimento ( contração isométrica ) mostrará uma linha vertical 'loop de trabalho'. Reciprocamente, um músculo que encurta sem alterar a força ( contração isotônica ) mostrará uma linha horizontal 'malha de trabalho'. Finalmente, um músculo pode se comportar como uma mola que se estende linearmente conforme uma força é aplicada. Este caso final produziria uma linha reta inclinada 'malha de trabalho', onde a inclinação da linha é a rigidez da mola .
Abordagem experimental de loop de trabalho
Os experimentos de loop de trabalho são mais frequentemente realizados em tecido muscular isolado de invertebrados (por exemplo, insetos e crustáceos ) ou pequenos vertebrados (por exemplo , peixes , sapos , roedores ). A técnica experimental descrita abaixo se aplica a abordagens in vitro e in situ .
Configuração experimental
Seguindo procedimentos humanitários aprovados pelo IACUC , o músculo é isolado do animal (ou preparado in situ), ligado ao aparelho de teste muscular e banhado em solução de Ringer oxigenada ou solução de Krebs-Henseleit mantida a uma temperatura constante. Enquanto o músculo isolado ainda está vivo, o experimentador então aplica duas manipulações para testar a função muscular: 1) Estimulação elétrica para imitar a ação de um neurônio motor e 2) tensão (alteração do comprimento do músculo) para imitar o movimento rítmico de um membro. Para provocar a contração muscular, o músculo é estimulado por uma série de pulsos elétricos fornecidos por um eletrodo para estimular o nervo motor ou o próprio tecido muscular. Simultaneamente, um servo motor controlado por computador no aparelho de teste oscila o músculo enquanto mede a força gerada pelo músculo estimulado. Os seguintes parâmetros são modulados pelo experimentador para influenciar a força muscular, trabalho e potência:
- Duração da estimulação: o período de tempo durante o qual o músculo recebe estimulação elétrica
- Frequência de pulso de estimulação: O número de pulsos de estimulação por duração de estimulação
- Fase de estimulação: O intervalo de tempo entre o início da estimulação e a alteração do comprimento do músculo
- Amplitude de deformação: A diferença entre os valores máximo e mínimo do padrão de oscilação de comprimento
- Frequência de deformação / ciclo: O número de períodos de encurtamento-alongamento por período de tempo
Calculando trabalho muscular e potência a partir de dados experimentais
O cálculo do trabalho ou da potência muscular requer a coleta de dados de força e comprimento (ou velocidade) muscular a uma taxa de amostragem conhecida. O net work é normalmente calculado a partir da potência instantânea (força do músculo x velocidade do músculo) ou da área delimitada pelo loop de trabalho em um gráfico de força x comprimento. Ambos os métodos são matematicamente equivalentes e altamente precisos; no entanto, o método da 'área dentro do loop' (apesar de sua simplicidade) pode ser tedioso de executar para grandes conjuntos de dados.
Método 1: Método de potência instantânea
Etapa 1) Obtenha a velocidade do músculo pela diferenciação numérica dos dados do comprimento do músculo. Etapa 2) Obtenha a potência muscular instantânea multiplicando os dados da força muscular pelos dados da velocidade do músculo para cada amostra de tempo. Etapa 3) Obtenha o trabalho em rede (um único número) por integração numérica dos dados de força muscular. Etapa 4) Obtenha a potência líquida (um único número) dividindo o trabalho líquido pela duração do ciclo.
Método 2: área dentro do método de loop
A área dentro do loop de trabalho pode ser quantificada 1) digitalmente, importando uma imagem do loop de trabalho para o ImageJ , traçando a forma do loop de trabalho e quantificando sua área. Ou, 2) manualmente, imprimindo uma cópia impressa do gráfico do work loop, cortando a área interna e pesando-a em uma balança analítica . O trabalho líquido é então dividido pela duração do tempo do ciclo para obter a potência líquida.
Aplicações à fisiologia do músculo esquelético
Uma vantagem significativa da técnica de malha de trabalho sobre as avaliações da força do músculo esquelético em humanos é que os fatores de confusão associados à função do músculo esquelético mascaram a verdadeira produção de força no nível do músculo esquelético. Os fatores de confusão mais notáveis incluem a influência do sistema nervoso central que limita a capacidade de gerar potência máxima, exames de grupos musculares inteiros em vez de músculos esqueléticos individuais, inércia corporal e aspectos motivacionais associados à atividade muscular sustentada. Além disso, as medidas de fadiga muscular não são afetadas pela fadiga do sistema nervoso central. Ao adotar a técnica de malha de trabalho em um modelo de músculo isolado, esses fatores de confusão são eliminados, permitindo assim um exame mais detalhado das mudanças específicas do músculo na produção de potência da malha de trabalho em resposta a um estímulo. Além disso, o uso da técnica de work loop em oposição a outros modos de contração, como isométrico , isotônico e isovelocidade , permite uma melhor representação das mudanças no trabalho mecânico do músculo esquelético em resposta a uma variável independente, como a direta aplicação de cafeína , bicarbonato de sódio e taurina em um músculo esquelético isolado e as mudanças na potência de trabalho e resistência à fadiga durante o envelhecimento e em resposta a uma dieta obesogênica.
Aplicações para locomoção animal
Identificação de funções musculares: motores, freios, molas ou suportes
Como um “motor”, o músculo trabalha no ambiente, resultando em um trabalho positivo no loop de trabalho no sentido anti-horário. Quando o trabalho positivo acontece, o comprimento do músculo aumenta, seguido por um aumento na força antes de atingir o pico. Quando o pico é alcançado, o músculo encurta junto com uma diminuição na força. Um exemplo de trabalho positivo sendo feito no meio ambiente seria a natação de vieiras.
Como um “freio”, o músculo é capaz de absorver energia do meio ambiente. Isso, então, resulta em trabalho negativo no loop de trabalho no sentido horário. O resultado é um encurtamento dos músculos, bem como uma diminuição na produção de força. Depois que o músculo absorve a energia do ambiente, o comprimento do músculo retorna ao normal com o aumento da força. Nas baratas , existem pernas que atuam apenas como “freios” para interromper o movimento do animal.
Como uma “mola” os músculos são capazes de se alterar entre os estados de movimento, produzindo assim um trabalho negativo este trabalho negativo resulta do movimento e da mudança da posição dos músculos no vôo das aves e nas pernas humanas para produzir mais energia. As “molas” nesses músculos absorvem a energia do ambiente e a redirecionam, emitindo a energia absorvida para tornar os movimentos repetidos mais eficientes em termos de energia.
Como um “suporte”, o músculo pode produzir uma força e então manter o comprimento do músculo. No movimento do peixe , o corpo se move para frente e para trás para produzir trabalho, mas à medida que o peixe se move, os músculos movem a energia para baixo ao longo do comprimento do peixe. Conforme a energia passa pelo músculo, o músculo é então mantido como um “suporte”. O comprimento do músculo como um “strut” permanece constante.
Trajetórias de comprimento muscular assimétricas
Originalmente, os workloops impunham uma mudança no comprimento sinusoidal do músculo, com alongamento e encurtamento iguais. No entanto, a alteração do comprimento do músculo in vivo frequentemente tem mais da metade do encurtamento do ciclo e menos da metade do alongamento. A imposição desses ciclos "assimétricos" de alongamento-encurtamento pode resultar em maior trabalho e produção de energia, como mostrado nos músculos que chamam a rã-das-árvores.
