Characterizing Motor Unit Mechanics and Muscle Contractile Properties In Vivo

表征体内运动单位力学和肌肉收缩特性

基本信息

  • 批准号:
    10527926
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 16.41万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-09-15 至 2024-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Characterizing motor unit mechanics and muscle contractile properties in vivo Muscle contractility has the potential as a promising biomarker for detecting disease onset earlier and tracking the progress of neuromuscular diseases (NMDs). However, quantifying muscle contractile properties is not currently within reach of standard diagnostic techniques, mainly because of a lack of in vivo techniques that can readily be applied in a real clinical setting. The gold standard to quantify muscle contractile properties is based on muscle biopsy and on in vitro studies, which is not only very invasive but also uncertain whether muscle contractile properties induced by electrical stimulation reflect natural motor unit mechanics. More importantly, slow-twitch fibers, not as accessible by electrical stimulation, are the most relevant to clinical observations in neuromuscular diseases, emphasizing the need for new in vivo technique to understand the contractile properties during voluntary contractions. Surface or intramuscular EMG is a potential alternative to describe motor unit discharge properties, but EMG does not provide quantitative data about muscle contractile properties. As both neural and muscular mechanisms are not only linked anatomically but also closely interacted functionally, just one part of the information is not sufficient to comprehensively understand muscle mechanical function. There is therefore a profound need to develop new in vivo techniques to characterize muscle contractile properties as well as motor unit mechanics. Accordingly, the main goal of this R21 project is to develop a new in vivo ultrasound imaging-based framework to precisely capture fascicle motion during voluntary muscle contractions so that we can characterize muscle contractile properties and motor unit mechanics. In Aim 1, we will develop an ultrafast ultrasound imaging sequence, using a research ultrasound system, to capture dynamic fascicle motion during voluntary isometric contractions. We will also develop an image processing method to quantify the tissue velocity field and in turn to identify mechanical responses of individual active motor units (i.e., twitch trains). The twitch trains allow us to estimate motor unit discharge patterns and muscle contractile properties. In Aim 2, we will evaluate the outcomes from the proposed technique compared to the advanced surface EMG decomposition technique. We will quantify the similarity of motor unit discharge patterns independently estimated from both ultrafast ultrasound recordings and decomposition EMG recordings from human skeletal muscles during voluntary isometric contractions. A time- series deconvolution method will be used to characterize muscle contractile properties. This aim will demonstrate the feasibility that the proposed technique can characterize motor unit mechanics and muscle contractile properties of human skeletal muscle in vivo. This project will provide a powerful tool to help researchers/clinicians study understand the origins of muscle weakness in musculoskeletal or neurological disorders, diagnose early muscle changes in inherited diseases, in inflammatory diseases, or detect abnormal muscle activities in progressive nervous system disease.
表征体内运动单位力学和肌肉收缩性能 肌肉收缩力具有有希望的生物标志物,以便早些时候检测疾病发作 跟踪神经肌肉疾病(NMDS)的进展。但是,量化肌肉收缩特性 目前不在标准诊断技术的范围内,主要是因为缺乏体内技术 可以很容易地在真实的临床环境中应用。量化肌肉收缩特性的黄金标准 基于肌肉活检和体外研究,这不仅非常侵入性,而且不确定是否 电刺激引起的肌肉收缩特性反映了天然运动单位力学。更多的 重要的是,慢速纤维,不受电刺激而无法访问,与临床最相关 神经肌肉疾病的观察,强调需要新的体内技术来理解该技术 自愿性收缩期间的收缩物业。表面或肌内EMG是潜在的替代品 描述电动机单元放电特性,但EMG不提供有关肌肉收缩的定量数据 特性。由于神经和肌肉机制不仅在解剖学上都连接起来,而且密切相关 在功能上相互作用,信息的一部分不足以全面了解肌肉 机械功能。因此,迫切需要开发新的体内技术来表征 肌肉收缩特性以及运动单位力学。因此,这个R21项目的主要目标是 开发一个新的基于基于成像的体内超声成像框架,以精确捕获筋膜运动 自愿性肌肉收缩,以便我们可以表征肌肉收缩特性和运动单元 力学。在AIM 1中,我们将使用研究超声来开发超声超声成像序列 系统,以捕获自愿等距收缩期间动态束运动。我们还将开发一个 量化组织速度场的图像处理方法,进而确定的机械响应 单个活动电机单元(即抽搐火车)。抽搐火车使我们能够估计电动机单元的排放 模式和肌肉收缩特性。在AIM 2中,我们将评估提议的结果 与晚期表面EMG分解技术相比。我们将量化 从超声超声记录和 自愿等距收缩期间人类骨骼肌的分解EMG记录。时间 - 串联反卷积方法将用于表征肌肉收缩特性。这个目标 证明所提出的技术可以表征运动单位力学和肌肉的可行性 人体骨骼肌在体内的收缩特性。该项目将提供强大的工具来帮助 研究人员/临床医生的研究了解肌肉骨骼或神经学中肌肉无力的起源 疾病,诊断遗传疾病的早期肌肉变化,炎症性疾病或发现异常 进行性神经系统疾病的肌肉活动。

项目成果

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