Publication

Optogenetic control of live skeletal muscles: Non-invasive, wireless, and precise activation of muscle tissues

Mahmut Selman Sakar
2013
Article de conférence
Résumé

Optogenetics is an emerging new technology for controlling live cell function with light. Skeletal muscles are genetically coded to express light-sensitive proteins so that the cell's behavior may be altered by illuminating a targeted portion of the cell. Optogenetic control provides a non-invasive, wireless, and fast control method with high spatiotemporal resolution. This paper presents the technology, experimental test, and potential applications of optogenetic control of skeletal muscles. The authors' research team has recently succeeded in controlling the contraction of skeletal muscle tissues with light by using the light-sensitive protein Channelrhodopsin 2 (ChR2). Precursors of skeletal cells, myoblasts, are transfected with ChR2, creating ion channels on the cell membrane that conduct cations when exposed to blue light. Experiments show that targeted skeletal muscles are activated rapidly and precisely with high spatiotemporal resolution. Dynamics of optogenetically controlled skeletal muscles are characterized based on system identification. Two potential applications are addressed. One is muscle-on-a-chip drug screening for evaluating potential hazards of a drug on muscular function, and the other is multi-DOF robotic devices powered by bio-artificial muscles controlled with targeted light illumination.

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Proximité ontologique
Concepts associés (33)
Myocyte
Les myocytes, ou fibres musculaires, sont des cellules capables de contraction (syncytium, fusion de plusieurs cellules). On distingue principalement les des myocytes lisses. Les propriétés contractiles des cellules musculaires tiennent de la présence d'éléments du cytosquelette capables de se contracter à la suite d'une augmentation de la concentration en calcium intracellulaire. Ces éléments contractiles élémentaires sont constitués de microfilaments d'actine couplés à des myofilaments de myosine.
Muscle squelettique
Les muscles squelettiques sont les muscles sous contrôle volontaire du système nerveux central. Le corps humain comprend environ 570 muscles présents chez tous les individus sains. Leur corps contient des vaisseaux sanguins, des nerfs, des organes sensoriels, du tissu conjonctif commun, et des cellules musculaires. En microscopie photonique (ou optique), ils présentent une double striation longitudinale et transversale. La science du muscle est la myologie. Les myoblastes sont les cellules précurseurs des muscles.
Muscle
Le muscle est un organe composé de tissu mou retrouvé chez les animaux. Il est composé de tissus musculaires et de tissus conjonctifs (+ vaisseaux sanguins + nerfs). Les cellules musculaires (composant le tissu musculaire) contiennent des filaments protéiques d'actine et de myosine qui glissent les uns sur les autres, produisant une contraction qui modifie à la fois la longueur et la forme de la cellule. Les muscles fonctionnent pour produire de la force et du mouvement.
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