[論文レビュー] The model of circular and longitudinal smooth muscle motions in the motility of intestinal segment

Garri Davydyan|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2014

Elasticity and Material Modeling参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、腸管領域における円形筋および縦走筋の協調的で滑らかな収縮をモデル化する4つの常微分方程式系を提案する。このモデルは、能動的でトーン依存の力と受動的弾性を統合している。モデルは壁の伸張と筋緊張の交互に起こる、相補的に調節された段階を示し、ICCおよび副交感神経plexusによる内在的運動調節のメカニズム的洞察を提供する。

ABSTRACT

Coordination in circular and longitudinal muscle motions are of crucial importance in the motor function of gastrointestinal (GI) tract. Intestinal wall motions depend on myogenic-active properties of smooth muscles layers of intestinal wall, which is the ability to create active contractile forces in response to distension. Considering the stress in the circular and longitudinal smooth muscles as a sum of passive, depending on muscle deformations, and active, depending on muscle tone, components, and also assuming that the change in the muscle tone depends on the current stress-strain condition, the system of four ordinary differential equations (ODE) is obtained, which describes filling-emptying cycle of intestinal segment as a process of coordinated activities of circular and longitudinal muscles of intestinal wall. A general approach in formulating the modelling conditions is based on the previously described model restricted to the circularly distensible reservoir of constant length. Obtained results illustrate the character of coordinated activities of two orthogonal muscle layers, which are alternating phases of reciprocally and uniformly changing modalities such as stretching of the wall and muscle tone. The results also contribute to the existing understanding of the roles of Auerbach's and Meisner's intermuscular and submucous neural plexuses in regulations of autonomous intestinal motility, as well as clarify functional mechanisms of the interstitial cells of Cajal (ICC) in triggering of smooth muscle contractions.

研究の動機と目的

• 腸管運動における円形筋および縦走筋の協調的活動を定量的にモデル化すること。
• 応力-ひずみ関係に基づき、平滑筋層における受動的弾性力と能動的収縮力の統合。
• 機械的応力への反応としての筋緊張調節が、腸管領域の満杯-排空サイクルをどのように駆動するかを明らかにすること。
• Cajalの間葉細胞（ICC）およびAuerbachおよびMeissnerのplexusの内在的運動制御における機能的役割を明確にすること。
• 円形に拡張可能な貯留器の先行モデルを拡張し、縦走筋のダイナミクスと直交する収縮の協調を含める

提案手法

• 円形筋および縦走筋の応力を、変形依存の受動的成分とトーン依存の能動的成分の和としてモデル化する。
• 現在の応力-ひずみ状態に基づいて筋緊張が進化するフィードバック機構を導入する。
• 壁の変形および両筋層における筋緊張のダイナミクスを記述する4つの常微分方程式（ODE）の系を構築する。
• セグメント長を一定と仮定し、円周方向および縦方向のひずみを可変として、満杯および排空サイクルを模擬する。
• 円形に拡張可能な貯留器の先行発表モデルを一般化し、縦走筋活動を含める。
• 直交する筋層における伸張と収縮の段階の協調的交互発現をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円形筋および縦走筋における受動的力と能動的力は、どのようにして腸管セグメントの満杯と排空を駆動するか？
• RQ2 機械的応力への反応としての筋緊張調節は、周期的な運動を維持するために果たす役割は何か？
• RQ3 このモデルは、Cajalの間葉細胞（ICC）が局所的フィードバックによって筋緊張を調節することで、収縮の開始と協調をどのように説明できるか？
• RQ4 AuerbachおよびMeissnerのplexusは、どのようにして円形筋および縦走筋活動の相補的調節を制御するか？
• RQ5 最小限のODEベースのモデルは、腸管運動で観察される壁の伸張と収縮の交互段階を再現できるか？

主な発見

• モデルは、壁の伸張と筋緊張の上昇という交互段階を示す、円形筋および縦走筋間の協調的活動の周期的パターンを成功裏に再現した。
• 能動的筋緊張は、現在の応力-ひずみ状態に応じて動的に調節され、外部のペースメーカーなしに自己持続的振動を可能にした。
• この系は相補的調節を示す：一方の筋層が伸張している間、他方の筋層の筋緊張が上昇し、腸管セグメントの順次的満杯と排空を促進する。
• モデルは、ICCが筋緊張の局所的フィードバックを通じて収縮の開始と協調を促進する機能的役割を機械的メカニズムとして説明できる。
• 結果は、AuerbachおよびMeissnerのplexusが機械的フィードバックに応じて筋緊張を調節することで、直交する筋層の協調を支援するという仮説を支持する。
• 円形貯留器の先行研究を拡張し、縦走筋のダイナミクスを組み込むことで、腸管壁運動のより包括的な表現が可能になった。