La técnica del bucle de trabajo se utiliza en fisiología muscular para evaluar el trabajo mecánico y la potencia de salida de las contracciones del músculo esquelético o cardíaco mediante pruebas musculares in vitro de músculos completos, haces de fibras o fibras musculares individuales. Esta técnica se utiliza principalmente para contracciones cíclicas como el caminar de las cucarachas [1] , el aleteo rítmico de las alas de los pájaros [2] o el latido del músculo ventricular del corazón [3] .
Para simular el acortamiento y el alargamiento rítmicos de un músculo (por ejemplo, al mover una extremidad) y la cinemática natural, un servomotor hace oscilar el músculo a una frecuencia y un rango de movimiento determinados que se observan en el comportamiento natural. Simultáneamente, se aplica una ráfaga de pulsos eléctricos al músculo al comienzo de cada ciclo de acortamiento-alargamiento para estimularlo a producir fuerza. Dado que la fuerza y la longitud vuelven a sus valores iniciales al final de cada ciclo, un gráfico de fuerza frente a longitud produce un "bucle de trabajo". Intuitivamente, el área encerrada por el bucle representa el trabajo mecánico neto realizado por el músculo durante un solo ciclo.
Los estudios clásicos de los años 1920 a los años 1960 caracterizaron las propiedades fundamentales de la activación muscular (a través de potenciales de acción de neuronas motoras ), desarrollo de fuerza , cambio de longitud, velocidad de acortamiento y dependencia de la historia. [4] Sin embargo, cada uno de estos parámetros se midió manteniendo constantes los demás, lo que hace que sus interacciones no sean claras. Por ejemplo, las relaciones fuerza-velocidad y fuerza-longitud se determinaron a velocidades y cargas constantes. Sin embargo, durante la locomoción, ni la velocidad muscular ni la fuerza muscular son constantes. Al correr, por ejemplo, los músculos de cada pierna experimentan fuerzas que varían con el tiempo y velocidades de acortamiento que varían con el tiempo a medida que la pierna desacelera y acelera desde el impacto del talón hasta el despegue . En tales casos, los experimentos clásicos de fuerza-longitud (velocidad constante) o fuerza-velocidad (longitud constante) no son suficientes para explicar completamente la función muscular. [5]
En 1960, se introdujo el método del bucle de trabajo para explorar las contracciones musculares de velocidad y fuerza variables. Estos primeros experimentos de bucle de trabajo caracterizaron el comportamiento mecánico del músculo asincrónico (un tipo de músculo de vuelo de los insectos ). [6] Sin embargo, debido a la naturaleza especializada del músculo asincrónico, el método del bucle de trabajo solo era aplicable para experimentos con músculos de insectos . En 1985, Robert K. Josephson modernizó la técnica para evaluar las propiedades de los músculos sincrónicos que impulsan el vuelo de los saltamontes [7] estimulando el músculo a intervalos de tiempo regulares durante cada ciclo de acortamiento-alargamiento. La innovación de Josephson generalizó la técnica del bucle de trabajo para un amplio uso entre los tipos de músculos de invertebrados y vertebrados , lo que hizo avanzar profundamente los campos de la fisiología muscular y la biomecánica comparativa .
Los experimentos de bucles de trabajo también permitieron una mayor apreciación del papel de la cinética de activación y relajación en la potencia muscular y la producción de trabajo. Por ejemplo, si un músculo se activa y desactiva más lentamente, las curvas de acortamiento y alargamiento serán más planas y más cercanas entre sí, lo que dará como resultado una menor producción de trabajo. También se descubrieron bucles de trabajo "negativos", lo que demuestra que el alargamiento muscular con una fuerza mayor que la curva de acortamiento puede dar como resultado una absorción neta de energía por parte del músculo, como en el caso de la desaceleración o la caminata cuesta abajo a velocidad constante.
En 1992, el enfoque del ciclo de trabajo se amplió aún más con el uso novedoso de mediciones de la tensión ósea para obtener la fuerza in vivo . Combinada con estimaciones de cambios en la longitud muscular o con métodos directos (por ejemplo, sonomicrometría ), la tecnología de fuerza in vivo permitió las primeras mediciones del ciclo de trabajo in vivo . [8]
Un bucle de trabajo combina dos gráficos separados: fuerza vs. tiempo y longitud vs. tiempo. Cuando se grafica la fuerza vs. longitud, se crea un gráfico de bucle de trabajo: cada punto a lo largo del bucle corresponde a un valor de fuerza y longitud en un único punto en el tiempo. A medida que avanza el tiempo, los puntos graficados trazan la forma del bucle de trabajo. La dirección en la que se traza el bucle de trabajo a través del tiempo es una característica crítica del bucle de trabajo. A medida que el músculo se acorta mientras genera una fuerza de tensión (es decir, "tira"), entonces, por convención, se dice que el músculo está realizando trabajo positivo ("actúa como un motor") durante esa fase. A medida que el músculo se alarga (mientras sigue generando una fuerza de tensión), el músculo está realizando trabajo negativo (o, alternativamente, ese trabajo positivo se está realizando en el músculo). Por lo tanto, se dice que un músculo que genera fuerza mientras se acorta produce "trabajo positivo" (es decir, genera trabajo), mientras que un músculo que genera fuerza mientras se alarga produce "trabajo negativo" (es decir, absorbe trabajo).
A lo largo de un ciclo completo, normalmente hay algo de trabajo positivo y algo de trabajo negativo; si el ciclo general es en sentido contrario a las agujas del reloj o en sentido horario, el bucle de trabajo representa la generación de trabajo general frente a la absorción de trabajo, respectivamente. [9] Por ejemplo, durante un salto, los músculos de las piernas generan trabajo para aumentar la velocidad del cuerpo al alejarse del suelo, lo que produce bucles de trabajo en sentido antihorario. Sin embargo, al aterrizar, los mismos músculos absorben trabajo para disminuir la velocidad del cuerpo, lo que produce bucles de trabajo en el sentido horario. Además, un músculo puede producir trabajo positivo seguido de trabajo negativo (o viceversa) dentro de un ciclo de acortamiento-alargamiento, lo que provoca una forma de bucle de trabajo en forma de "8" que contiene segmentos en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido antihorario. [10]
Como el trabajo se define como la fuerza multiplicada por el desplazamiento, el área del gráfico muestra el trabajo mecánico que produce el músculo. En un ejemplo típico de generación de trabajo, el músculo muestra un rápido aumento curvilíneo de la fuerza a medida que se acorta, seguido de una disminución más lenta durante o poco antes de que el músculo comience la fase de alargamiento del ciclo. El área debajo de la curva de acortamiento (curva superior) da el trabajo total realizado por el músculo que se acorta, mientras que el área debajo de la curva de alargamiento (curva inferior) representa el trabajo absorbido por el músculo y convertido en calor (realizado por fuerzas ambientales o músculos antagonistas). Restando este último del primero se obtiene el trabajo mecánico neto producido en el ciclo muscular, y dividiendo este valor por la duración del ciclo se obtiene la potencia mecánica neta producida. [11]
Hipotéticamente, un bucle de trabajo cuadrado (área = fuerza máxima x desplazamiento máximo) representaría la producción máxima de trabajo de un músculo que opera dentro de un rango de fuerza y longitud dado. [12] [13] Por el contrario, una línea plana (área = 0) representaría la producción mínima de trabajo. Por ejemplo, un músculo que genera fuerza sin cambiar la longitud ( contracción isométrica ) mostrará una línea vertical "bucle de trabajo". Recíprocamente, un músculo que se acorta sin cambiar la fuerza ( contracción isotónica ) mostrará una línea horizontal "bucle de trabajo". Finalmente, un músculo puede comportarse como un resorte que se extiende linealmente cuando se aplica una fuerza. Este caso final produciría una línea recta inclinada "bucle de trabajo" donde la pendiente de la línea es la rigidez del resorte . [14]
Los experimentos de bucle de trabajo se realizan con mayor frecuencia en tejido muscular aislado de invertebrados (por ejemplo, insectos [15] y crustáceos [16] ) o pequeños vertebrados (por ejemplo , peces , [17] ranas , [10] roedores [18] ). La técnica experimental descrita a continuación se aplica tanto a enfoques in vitro como in situ .
Siguiendo los procedimientos humanitarios aprobados por el IACUC , el músculo se aísla del animal (o se prepara in situ), se conecta al aparato de prueba muscular y se baña en solución de Ringer oxigenada o solución de Krebs-Henseleit mantenida a una temperatura constante. Mientras el músculo aislado aún está vivo, el experimentador aplica dos manipulaciones para probar la función muscular: 1) estimulación eléctrica para imitar la acción de una neurona motora y 2) tensión (cambio de longitud muscular) para imitar el movimiento rítmico de una extremidad. Para provocar la contracción muscular, el músculo se estimula mediante una serie de pulsos eléctricos entregados por un electrodo para estimular el nervio motor o el tejido muscular en sí. Simultáneamente, un servomotor controlado por computadora en el aparato de prueba hace oscilar el músculo mientras mide la fuerza generada por el músculo estimulado. Los siguientes parámetros son modulados por el experimentador para influir en la fuerza muscular, el trabajo y la potencia de salida:
El cálculo del trabajo o la potencia muscular requiere la recopilación de datos de fuerza y longitud (o velocidad) musculares a una frecuencia de muestreo conocida. El trabajo neto se calcula normalmente a partir de la potencia instantánea (fuerza muscular x velocidad muscular) o del área encerrada por el bucle de trabajo en un gráfico de fuerza vs. longitud. Ambos métodos son matemáticamente equivalentes y muy precisos; sin embargo, el método del "área dentro del bucle" (a pesar de su simplicidad) puede ser tedioso de llevar a cabo para grandes conjuntos de datos.
Paso 1) Obtenga la velocidad muscular mediante la diferenciación numérica de los datos de longitud muscular. Paso 2) Obtenga la potencia muscular instantánea multiplicando los datos de fuerza muscular por los datos de velocidad muscular para cada muestra de tiempo. Paso 3) Obtenga el trabajo neto (un solo número) mediante la integración numérica de los datos de potencia muscular. Paso 4) Obtenga la potencia neta (un solo número) dividiendo el trabajo neto por la duración del ciclo.
El área dentro del bucle de trabajo se puede cuantificar 1) digitalmente importando una imagen del bucle de trabajo en ImageJ , trazando la forma del bucle de trabajo y cuantificando su área, o 2) manualmente imprimiendo una copia impresa del gráfico del bucle de trabajo, cortando el área interna y pesándola en una balanza analítica . Luego, el trabajo neto se divide por la duración del ciclo para obtener la potencia neta.
Una ventaja significativa de la técnica del bucle de trabajo sobre las evaluaciones de la potencia del músculo esquelético en humanos es que los factores de confusión asociados con la función del músculo esquelético enmascaran la producción de potencia real a nivel del músculo esquelético. Los factores de confusión más notables incluyen la influencia del sistema nervioso central que limita la capacidad de generar la máxima potencia de salida, los exámenes de grupos musculares completos en lugar de músculos esqueléticos individuales, la inercia corporal y los aspectos motivacionales asociados con la actividad muscular sostenida. Además, las medidas de fatiga muscular no se ven afectadas por la fatiga del sistema nervioso central. Al adoptar la técnica del bucle de trabajo en un modelo muscular aislado, se eliminan estos factores de confusión, lo que permite un examen más detallado de los cambios específicos del músculo en la potencia de salida del bucle de trabajo en respuesta a un estímulo. Además, el uso de la técnica de bucle de trabajo en oposición a otros modos de contracción, como isométrico , isotónico e isovelocidad , permite una mejor representación de los cambios en el trabajo mecánico del músculo esquelético en respuesta a una variable independiente, como la aplicación directa de cafeína , [20] [21] [22] [23] [24] bicarbonato de sodio , [25] y taurina [26] a un músculo esquelético aislado, y los cambios en la potencia de salida del bucle de trabajo y la resistencia a la fatiga durante el envejecimiento [27] [28] [29] y en respuesta a una dieta obesogénica. [30] [31]
El desarrollo de la técnica del bucle de trabajo ha revelado varios papeles funcionales para el músculo al simular una cinemática y una activación más realistas. Como un “motor”, el músculo realiza un trabajo sobre el entorno, lo que da como resultado un bucle de trabajo positivo en sentido contrario a las agujas del reloj . Cuando se produce un trabajo positivo, la longitud del músculo aumentará seguida de un aumento de la fuerza antes de alcanzar un pico. Cuando se alcanza el pico, el músculo se acortará junto con una disminución de la fuerza. [32] Un ejemplo de trabajo positivo realizado sobre el entorno es la natación de la anguila. [33] Al igual que otros nadadores ondulatorios, las anguilas se mueven generando empuje en el agua. Las anguilas ondulan el eje de su cuerpo utilizando músculos a lo largo de sus troncos, generando potencia mecánica.
Como “freno”, el músculo absorbe energía del entorno. [1] Este círculo en el sentido de las agujas del reloj da como resultado un músculo que absorbe trabajo, realizando trabajo negativo sobre el entorno. Estos músculos se acortan mientras disminuyen su producción de fuerza. Una vez que el músculo termina de absorber la energía del entorno, la longitud del músculo vuelve a la normalidad con un aumento de fuerza. A pesar de la capacidad de producción de energía de uno de los extensores de la pata de la cucaracha, la activación muscular durante las grandes tensiones impuestas durante la carrera natural funcionó para frenar el balanceo de la pata. [1]
Como “resorte”, los músculos pueden cambiar de estado de movimiento, produciendo así un trabajo insignificante. [34] Como resortes, estos músculos se acortan cuando se les aplica fuerza y vuelven a su longitud de reposo cuando se libera la fuerza. Por ejemplo, el gran músculo basal (b1) de la mosca azul actúa como un elemento elástico pasivo: genera poca potencia. En cambio, almacena la energía producida para dirigir la fuerza. [35] Es probable que estos músculos se utilicen para modular rápidamente la mecánica de la locomoción en lugar de actuar para producir potencia.
Como “puntal”, los músculos generan fuerza de forma isométrica o uniforme mientras se acortan, permitiendo al mismo tiempo que la elasticidad pasiva de los tendones almacene y libere energía. En los pavos que corren sobre superficies niveladas, el músculo gastrocnemio lateral se contrae de forma isométrica. Si bien este músculo no cambia de longitud, produce fuerzas elevadas y permite que el estiramiento y la recuperación del tendón proporcionen el trabajo mecánico. [36]
Originalmente, los ciclos de trabajo imponían un cambio de longitud sinusoidal en el músculo, con un alargamiento y un acortamiento iguales en el tiempo. Sin embargo, el cambio de longitud muscular in vivo a menudo tiene un acortamiento de ciclo mayor que la mitad y un alargamiento menor que la mitad. La imposición de estos ciclos de estiramiento-acortamiento "asimétricos" puede dar como resultado mayores resultados de trabajo y potencia, como se muestra en los músculos que cantan en la rana arbórea. [37]