警觉猴眼外肌运动单位以尖峰触发平均为特征外文翻译资料

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警觉猴眼外肌运动单位以尖峰触发平均为特征

Paul D. Gamlina,lowast;, Joel M. Millerb,c

a Department of Vision Sciences, University of Alabama at Birmingham, AL, United States

b Eidactics, San Francisco, CA, United States

c Smith-Kettlewell Eye Research Institute, San Francisco, CA, United States

摘要：在对猕猴的眼外运动神经元研究中，单体记录已被广泛使用。为了研究行为敏捷的猕猴的运动单元，我们结合慢性肌力传感器（MFT）和单体细胞外运动神经元记录。在低运动神经元固定率下，使用运动神经元峰值触发平均mft信号（sta-mft）来提取单个运动单元的抽搐，从而从抽搐力和动力学的角度对每个运动单元进行特征描述。因此，像传统研究一样，可以确定眼球运动时的运动神经元活动，但现在已经掌握了潜在的运动单元特征。

我们演示了内侧直肌运动单元的STA-MFT技术。对3只动物的33个内侧直肌运动神经元进行的记录，发现其中有20个运动单元的抽搐张力峰值为0.5-5.25 mg，最初的抽搐延迟平均为2.4 ms，收缩峰值平均为9.3 ms。这些抽搐张力与未麻醉的兔子的报道一致，也和对猴子全神经刺激下，产生的内侧直肌运动神经元总数和抽搐张力的估计一致，但明显低于被麻醉了的松鼠猴侧直肌运动单元。运动单位按抽搐张力大小顺序组成，较强的运动单位在肌肉方向上进一步达到阈值，这表明与其他骨骼肌一样，内侧直肌运动单位是根据“尺寸原则”组成的。

关键词：内直肌、运动单位、肌力换能器、组成、尖峰触发平均值

1 简介

形态学和组织化学通常根据疲劳性、层状位置以及是否产生抽搐或分级收缩来区分六种眼外肌纤维（Alvarado和Van Horn，1975; Peachey等，1974; Spencer和Porter，1988）。考虑到这些多维的专门特性，以及由特定运动神经元驱动的所有纤维都可能是相同类型（Porter等，1995），我们可以期望有类似的可区分的运动单元类型（运动神经元及其所支配的肌纤维组）。然而，确定运动单位类型需要测量其肌肉纤维产生的力的大小和时间分布，以及运动神经元的活动，直到目前为止，只有在麻醉动物中才能使用电刺激（例如Shall和Goldberg，1992年）。这些研究支持了猫和猴子眼外运动单元的生理异质性的观点（例如Shall和Goldberg，1992; Goldberg和Shall，1999），但警觉猕猴的电生理学研究仍然将运动神经元视为一个单一的功能类别，只在阈值和神经元的连续性上有所不同（例如Fuchs和Luschei，1971; Robinson，1970; Fuchs等，1988; Gamlin等，1989; Gamlin和Mays，1992; Sylvestre和Cullen，1999）。因此，迄今为止，对警觉猕猴动眼神经活动的电生理研究仅限于将运动神经元活动与眼球运动联系起来，而不考虑运动单位类型。

在其他运动系统中，运动单位的特征是测量出的肌电活动触发的平均肌力（如Cheney，1980；Thomas等人，1986）、运动神经元峰值（如Lemon，1993）或运动神经元轴突刺激（如Westling等人，1990；Mace Field等人，1996）。我们最近开发了一种新一代的慢性植入式肌力传感器（MFT），能够测量警觉行为动物数月的眼外肌总生理生理张力（Miller等人，2011年）。在本文的研究中，我们对处于警觉状态的内直肌运动单位进行了表征，同时通过测量内直肌力量和运动神经元活动来表现猕猴的行为，并使用运动神经元峰值触发的mft信号（sta-mft）来提取单个运动单位的抽搐。

运动单位抽搐反应的特点是在低运动神经元频率（10-30赫兹）下，抽搐的时间重叠最小，并且非线性总和不会扭曲单个抽搐特征。随后，确定运动单位参与其他眼球运动方案，涉及更高或快速变化的射速，是很简单的。具体来说，由于运动单位抽搐的特点是低发射率，在运动神经元发射率高或快速变化的眼球运动中，不必尝试STA抽搐提取。

我们测量的抽搐张力与未麻醉兔子的报告一致（Barmack，1977年），并估计了猴子整个神经刺激产生的内直肌运动神经元和直肌牵拉张力的总数（Fuchs和Luschei，1971年），但远低于麻醉动物报告的运动单位，小型松鼠猴（例如，shall和goldberg，1992年；goldberg和shall，1999年）。运动单位按抽搐张力大小的顺序组成，更强的运动单位在肌肉向上的方向进一步达到阈值，这表明，与其他骨骼肌一样，内侧直肌运动单位是根据“尺寸原则”组成的。

2 材料和方法

2.1 肌肉力量测量

使用我们设计的基于应变计的肌肉力传感器（mfts）测量mr肌肉力（Miller等人，2011年），其他地方已经介绍了早期版本（Miller等人，2002年；Miller和Robins，1992年）。这种“带扣”的力传感器的尺寸较大，但精度较低，以前曾被植入猫后肢肌肉的肌腱上，以确定力的产生（例如Walmsley等人，1978年）和运动单位属性（例如ODonovan等人，1983年）。我们的MFTs测量的是肌肉所传递的总视觉力，以及肌肉的宽度。当眼睛可以正常旋转时，他们既不测量等距力也不测量非等距力，而是测量生理力，生理力是由神经支配和肌肉伸展之间的关系决定的，当眼睛在一个警觉的行为对象中正常转动时，肌肉伸展就会得到这种关系。每个MFT都是通过将其连接到一个应变计放大器（Vishay Micro Measurements Model 2311，Raleigh，NC）上进行校准的，该放大器带有2 V的激励，将一个销插入其轴承，将1/8宽的聚酯薄膜胶带穿过它，肌肉将其穿过，并将重量从胶带末端悬挂5-80 g。所有功能装置都具有类似的灵敏度，没有可测量的滞后，几乎是完全线性的（Miller等人，2011年）。MFT植入不需要拔出肌肉或在插入后10毫米以下的干扰连接组织。这些装置很小，而且很少从它们所连接的肌肉中伸出。MFT框架符合球体的形状，当肌肉在对侧注视下环绕球体时，不太可能卸载。可以想象周围组织对MFT施加不断变化的压力或限制眼睛旋转，但我们已经证明，任何这样的力都不足以在20°视场内产生可检测的双眼错位，而眼睛的视觉分离（也就是说，双目运动融合无法掩盖机械性植入物）。Ce），对球囊动力学的影响不大（球囊速度峰值降低10%；Miller等人，2002年）。与应变计连接的两个平行梁各为1 mm宽、0.25 mm厚的半硬不锈钢，其硬度远高于包裹植入装置的结缔组织，因此装置的灵敏度不太可能受到疤痕的影响。成功植入的MFT可以稳定几个月或更长时间。附录A中给出了MFT制造的概要。

2.2 动物准备

这些研究中使用了三只成年雄性恒河猴（Macaca mulata）、M1、M2和M3，这三只恒河猴得到了史密斯-凯特利韦尔眼科研究所和伯明翰阿拉巴马大学动物护理和使用委员会的批准，并遵循了实验室动物护理和使用指南（国家研究所 RCH理事会，1996年）。手术是在无菌条件下进行的。用氯胺酮诱导全麻，用异氟烷维持全麻。按照主治兽医的处方，术后服用止痛药和抗生素。

使用Judge等人的方法将巩膜搜索线圈（Robinson，1963）植入每只M.Mulatta的一只眼睛。（1980年），除了我们用7-0涤纶或6-0维氏针将线圈缝合到巩膜上，以防止滑动。我们训练猴子捕捉目标并进行眼部运动以获得果汁奖励，以及然后在头骨的两侧植入一个记录柱，在中脑上方，与矢状面成15°角。一旦内侧腹直肌，我们在一只眼的水平肌上植入了第二个眼圈和MFTs。

移植mfts如下。我们在含有待植入肌肉的象限中取出边缘的结膜，并在切除的结膜边缘放置牵引缝线，以帮助观察肌肉。我们在插入后约10毫米处通过钝性解剖清除附着物的每一块肌肉，并将其放置在一个特殊的肌腱提升器上（图1b）。

MFTs是在镜像结构中制造的，选用一种，使其引线具有后向和上向的投影效果。我们用镊子夹着它（图1a），穿过肌腱提升机，肌腱就在上面，穿过MFT的孔。将肌肉轻轻向上拉，同时将MFT向下靠在球体上，我们将一个合适的销推过近端轴承、肌肉下方和远端轴承。将MFT定位在插入物后面几毫米处，正对肌肉，将一根6-0Prolene缝线放在一根圆形的非切割针上，穿过每个固定孔，并将其固定在肌肉下缘；稳定MFT，直到其被结缔组织包裹，或可能在肌肉上旋转，这一点很重要。传递一个被旋转角余弦所减小的信号。将导线放在轨道上，使其松弛，然后按照植入眼圈导线的方法（Judge等人，1980年）（图1c）将其送至头皮。

因为应变计信号的电阻变化很小，所以必须谨慎地维护电气连接。编织的MFT引线被不间断地插入一个特殊的塑料连接器罐中，在那里它们被焊接到易于清洁的插脚上，在那里应变计放大器连接用于数据收集（图1c）。

使用直流应变计放大器（Vishay Micro Measurements Model 2120B或Model 2311，Raleigh，NC）读取MFT信号。先前的研究（Miller等人，2002年）表明，从植入到切除，MFT增益是稳定的，除非水分侵入导致设备失效。因此，我们假设植入前测得的增益在植入过程中是有效的。

对于尖峰触发的平均值，应变计放大器的信号通过交流差分放大器（BAK电子）进一步放大100（2 Hz–1 kHz带通），并进行记录。

图1。MFT安装 （a）MFT镊子是定制的锁定镊子，其尖端设计用于固定和牢牢固定MFT，而不会损坏其涂层。（b）mft肌腱升降机是一种小的肌肉钩，其把手和钩子能够通过mft的孔。（c）猴侧直肌上的MFT装置：肌肉通过插入装置轴承和肌肉下方的销引导穿过MFT。不可吸收的束缚缝线稳定了装置的方向。植入不需要取出肌肉。

2.3 眼球运动记录

在每个记录阶段的开始，分别校准每只眼睛的水平和垂直增益。这是通过让动物在不同的水平和垂直位置上单眼固定目标来完成的。不断的实验中发现，动物表现出很小的变异性，并且可以可靠地检测到小于0.2的囊状物。对右眼和左眼的位置进行采样，采样频率为1 kHz，并保存以备以后分析。

2.4 其他仪器

对于Monkey M1，控制100 cm距离的LED视觉目标，监控和记录双目眼睛位置，发放果汁奖励，并使用基于PXI的Labostm数据采集和控制系统记录Motoneuron firing。对于猴子M2来说，视觉显示是一个双通道光学刺激器，视野为plusmn;18（Gamlin和Yoon，2000年；张和Gamlin，1998年）。对于Monkey M3，显示器是一个90*70的后投影屏幕，在95厘米处，由一台8500投影仪照亮。

2.5 运动神经元记录

使用Kopf微驱动器，将一个安装在26 Ga套管中的聚对苯二甲酸绝缘钨微电极通过21 Ga皮下注射器刺穿硬脑膜推进。单位活性在5 kHz以上被急剧过滤，用视窗鉴别器检测到峰值，并以数字方式记录到计算机上，精确到0.1ms。记录电极（0.3–0.6 mk）被降低到动眼神经核的内直肌部分。先前已经描述了内直肌细分内神经元的定位标准（Gamlin和Mays，1992年），在此基础上，本研究所选的细胞似乎都位于动眼神经核的内直肌细分内。一旦个体内侧直肌运动神经元的活动被充分隔离，允许单单位记录，8-25 s的试验就按顺序进行。在这些试验中，动物沿着水平子午线将目标固定在一个位置，从而使射击速度达到10-30个尖峰/秒。

2.6 数据分析

使用Linux和带有定制交互软件的苹果电脑离线分析存储的数据。

2.7 峰值触发的MFT信号平均值

放大的mft信号在眼球运动后短暂饱和（图2a），并在微表情和眨眼后进行了大幅度偏移，因此，在平均之前，我们手动选择那些相对不受眼球运动相关伪影响的试验数据进行分析。对于这些稳定固定时间内的每个运动神经元动作电位（峰值），计算机在1 ms分辨率下对放大的mft轨迹生成一个60 ms的平均窗口（从10 ms前到50 ms后）。对于每一次提取的抽搐，我们平均的数据从1000到6000动作电位。对于每个时间点，我们计算平均值的平均值和标准偏差（sd），并计算95%置信限（sd*1.96）/（平方根（峰值数））。我们绘制了平均值和95%置信限与时间的关系图。

2.8 单体射击率/眼位分析

首先，我们计算了不同共轭眼位的射速-眼位斜率。显示眼睛位置和单位活动度，并手动描绘稳定的固定时间。在这些时期内连续100毫秒的样本计算左眼和右眼的水平和垂直位置的平均值以及平均的发射率。从大脑的两侧记录细胞，并且参考记录的运动神经元群体的ON方向报告纤维率 - 眼睛位置关系（正阈值对应于ON方向上的眼睛位置，并且正斜率对应于增加的环形在ON方向）。为每个细胞生成散点图，并计算相关系数和线性回归参数。将细胞的膜环率绘制为共轭眼位置的函数。这产生了细胞对共轭眼运动（kC）的位置敏感性的量度。将该斜率外推至零fi环速率估计了单元的阈值（T），其中负值在OFF方向上。

图2.原始数据 （A）18-s记录右内侧直肌运动神经元的单个单位活动和来自右内侧直肌（M）的MFT的力。 上标尺= 10°; 较低比例尺= 2g（MRMFT）和40mg（MRMFT，100times;; AC）。 箭头表示与心动周期相关的放大MRMFT迹线（MRMFT，100times;; AC）

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