[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出一个由四个常微分方程组成的系统，用于模拟肠道节段中环形与纵行平滑肌的协调性环形及纵向收缩，整合了被动弹性与主动张力依赖性力。该模型揭示了壁张力与肌肉张力交替、相互调节的阶段，为ICC与肠神经丛在内在运动调节中的机制提供了见解。

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.

研究动机与目标

• 开发肠道运动中环形与纵行平滑肌活动协调性的定量模型。
• 基于应力-应变关系，整合平滑肌层中的被动弹性和主动收缩力。
• 探讨肌肉张力如何响应机械应力调节，从而驱动肠道节段的充盈-排空周期。
• 阐明壁细胞间质细胞（ICC）以及Auerbach丛与Meissner丛在内在运动控制中的功能角色。
• 将先前关于可环向扩张储器的模型扩展，以包含纵行肌活动与正交协调收缩。

提出的方法

• 将环形与纵行肌的应力建模为被动（变形依赖）与主动（张力依赖）分量之和。
• 引入反馈机制，使肌肉张力根据当前的应力-应变状态演化。
• 建立一个由四个常微分方程（ODEs）组成的系统，描述两种肌肉层中壁变形与肌肉张力的动力学。
• 假设节段长度恒定，但周向与纵向应变可变，以模拟充盈与排空周期。
• 使用先前发表的关于环向可扩张储器模型的推广形式，以包含纵行肌活动。
• 模拟正交肌肉层中张力与收缩阶段的协调交替。

实验结果

研究问题

• RQ1 环形与纵行平滑肌中的被动力与主动力如何协调，以驱动肠道节段的充盈与排空？
• RQ2 肌肉张力如何响应机械应力调节，以维持节律性运动？
• RQ3 该模型如何解释壁细胞间质细胞（ICC）在触发与协调收缩中的功能贡献？
• RQ4 Auerbach丛与Meissner丛以何种方式调节环形与纵行肌活动的相互调节？
• RQ5 一个最小化的基于ODE的模型能否再现肠道运动中观察到的壁张力与收缩交替阶段？

主要发现

• 该模型成功再现了环形与纵行平滑肌之间协调活动的周期性模式，其特征为张力与张力增强阶段的交替。
• 主动肌肉张力由当前的应力-应变状态动态调节，从而实现无需外部起搏器的自持振荡。
• 该系统表现出相互调节特性：当一层肌肉被拉伸时，另一层肌肉张力增加，促进肠道节段的顺序性充盈与排空。
• 该模型为ICC通过局部反馈调节肌肉张力，在触发与协调收缩中的功能角色提供了机制性解释。
• 结果支持Auerbach丛与Meissner丛通过响应机械反馈调节张力，从而促进正交肌肉层协调的假设。
• 该模型通过引入纵行肌动力学，扩展了先前关于环形储器的研究，为肠道壁运动提供了更完整的表征。