Modelling motor units in 3D: influence on muscle contraction and joint force via a proof of concept simulation

Functional heterogeneity is a skeletal muscle’s ability to generate diverse force vectors through localised motor unit (MU) recruitment. Existing 3D macroscopic continuum-mechanical finite element (FE) muscle models neglect MU anatomy and recruit muscle volume simultaneously, making them unsuitable for studying functional heterogeneity. Here, we develop a method to incorporate MU anatomy and information in 3D models. Virtual fibres in the muscle are grouped into MUs via a novel “virtual innervation” technique, which can control the units’ size, shape, position, and overlap. The discrete MU anatomy is then mapped to the FE mesh via statistical averaging, resulting in a volumetric MU distribution. Mesh dependency is investigated using a 2D idealised model and revealed that the amount of MU overlap is inversely proportional to mesh dependency. Simultaneous recruitment of a MU’s volume implies that action potentials (AP) propagate instantaneously. A 3D idealised model is used to verify this assumption, revealing that neglecting AP propagation results in a slightly less-steady force, advanced in time by approximately 20 ms, at the tendons. Lastly, the method is applied to a 3D, anatomically realistic model of the masticatory system to demonstrate the functional heterogeneity of masseter muscles in producing bite force. We found that the MU anatomy significantly affected bite force direction compared to bite force magnitude. MU position was much more efficacious in bringing about bite force changes than MU overlap. These results highlight the relevance of MU anatomy to muscle function and joint force, particularly for muscles with complex neuromuscular architecture.

     

Comparative LCA studies of simulated HMF biorefineries from maize and miscanthus as an example of first- and second-generation biomass as a tool for process development

5-Hydroxymethylfurfural (HMF) is a versatile platform chemical for a fossil free, bio-based chemical industry. HMF can be produced by using fructose as a feedstock. Using edible, first-generation biomass to produce chemicals has been questioned in terms of potential competition with food supply. Second-generation biomass like miscanthus could be an alternative. However, there is a lack of information if second-generation lignocellulosic biomass is a more sustainable feedstock to produce HMF. Therefore, a life cycle assessment was performed in this study to determine the environmental impacts of HMF production from miscanthus and to compare it with HMF from high-fructose corn syrup (HFCS). HFCS from either Hungary or Baden-Württemberg (Germany) was considered. Compared to the HFCS biorefineries the miscanthus concept is producing less emissions in all impact categories studied, except land occupation. Overall, the production and usage of second-generation biomass could be especially beneficial in areas where the use of N fertilizers is restricted. Besides, conclusions for the further development of the on-farm biorefinery concept were elaborated. For this purpose, process simulations from a previous study were used. Results of the previous study in terms of TEA and the current LCA study in terms of environmental sustainability indicate that the lignin depolymerization unit in the miscanthus biorefinery has to be improved. The scenario without lignin depolymerization performs better in all impact categories. The authors recommend to not further convert the lignin to products like phenol and other aromatic compounds. The results of the contribution analyses show that the major impact in the HMF production is caused by the auxiliary materials in the separation units and the required heat. Further technical development should focus on efficient heat as well as solvent use and solvent recovery. At this point further optimizations will lead to reduced emissions and costs at the same time.     

Comparison of mechanistic and hybrid modeling approaches for characterization of a CHO cultivation process: Requirements,pitfalls and solution paths

Despite the advantages of mathematical bioprocess modeling, successful model implementation already starts with experimental planning and accordingly can fail at this early stage. For this study, two different modeling approaches (mechanistic and hybrid) based on a four-dimensional antibody-producing CHO fed-batch process are compared. Overall, 33 experiments are performed in the fractional factorial four-dimensional design space and separated into four different complex data partitions subsequently used for model comparison and evaluation. The mechanistic model demonstrates the advantage of prior knowledge (i.e., known equations) to get informative value relatively independently of the utilized data partition. The hybrid approach displayes a higher data dependency but simultaneously yielded a higher accuracy on all data partitions. Furthermore, our results demonstrate that independent of the chosen modeling framework, a smart selection of only four initial experiments can already yield a very good representation of a full design space independent of the chosen modeling structure. Academic and industry researchers are recommended to pay more attention to experimental planning to maximize the process understanding obtained from mathematical modeling.     

Zur Photosynthese synchron kultivierterChlorella pyrenoidosa

Zusammenfassung Die in der Zellentwicklung vonChlorella pyrenoidosa auftretenden Schwankungen im CO₂-Gaswechsel zeigen bei sofortiger Messung der photosynthetischen Leistung an Algensedimenten eine Differenz zwischen dem Maximum in der Lichtphase und dem Minimum in der Dunkelphase im Verhältnis von 61. Diese Differenz vergrößert sich bei wiederholter Messung der Photosynthese am gleichen Sediment durch den bei Jungzellen in der ersten Hälfte der Entwicklungsperiode erfolgten starken Photosyntheseanstieg um ein Vielfaches, da die niedrige Photosyntheseleistung der Autosporenmutterzellen in diesem Entwicklungszustand unverändert bleibt.Die beschriebene Methodik ermöglicht es, den Entwicklungszustand der Jungzellen längere Zeit festzuhalten und somit die Abhängigkeit der Photosyntheseschwankungen vom Entwicklungszustand der Algen aufzuzeigen. Diese Schwankungen der Starklichtphotosynthese werden im Zusammenhang mit den beobachteten Fluorescenzänderungen diskutiert.Mit 3 Textabbildungen     

Differentiation of species in Gonioloboceras

The type specimen ofGonioloboceras goniolobum (Meek), rediscovered by Spath in the British Museum, is the foundation for a more accurate comparative study of this and other species ofGonioloboceras.Gonioloboceras described asG. goniolobum byElias in 1938 is differentiated asGonioloboceras schmidti, new species. Suture sets (new term) for several growth stages inG. goniolobum (Meek),G. welleriSmith,G. schmidtiElias, G.eliasiMiller &Owen, andG. asiaticumLibrovitch are assembled and used for differentiation of the species.The Kazakhstan goniatite faunule containingG. asiaticum is considered of very late Pennsylvanian age.     

Bau und Innervation der Lorenzinischen Ampullen und deren Bedeutung als niederes Sinnesorgan

Zusammenfassung An Serienschnitten, die nach Bodian-Ziesmer silberimprägniert sind, wurden die Lorenzinischen Ampullen von Scyllium canicula und Mustelus laevis nach Darstellung in plastischer Rekonstruktion und Berichtigung des bisher ungenau geschilderten Baues auf die Form ihrer Nervenausbreitungen untersucht.Die Ampullen, welche nach elektrophysiologischen Untersuchungen durch Hensel als Kälterezeptoren ähnlich denen der Warmblüter gelten, sind an ihren Endaussackungen reich innerviert. Nahe dem Epithel überzieht ein feinmaschiges Flächennetz mit intraepithelialen Ausläufern jede der sackförmigen Ausbuchtungen. Die Anordnung der Nervenelemente wird mit jenen verglichen, die man an kälteempfindlichen Stellen beim höheren Tier und beim Menschen beobachtet. Eine Faserspezifität (im Sinne der Physiologie) räumen die Untersucher ein; eine Spezifität peripherischer Nervenausbreitungsformen, also der intraepithelialen Fasern, der Netzformationen und der Nervenkörperchen bestreiten sie erneut.Herrn Prof. Dr. W. Kindler zum 65. Geburtstag gewidmet.     

Einflüsse von Licht und temperatur auf den Winterschlaf des Siebenschläfers Glis g. glis (Linnaeus 1766)

Zusammenfassung Vom Sommer 1956 bis zum Frühjahr 1959 wurden mit Siebenschläfern (Glis glis L.) Licht- und Temperaturversuche durchgeführt. Jede Versuchsgruppe war in einem besonderen Versuchsraum untergebracht. Daneben wurden Beobachtungen an wildlebenden Bilchen durchgeführt.Eine Gruppe von Siebenschläfern lebte in einer Voliere im Freien, eine zweite in einem Tierstall mit natürlichen Lichtverhältnissen ohne UV, 2 Tiere waren in einem ähnlichen Raum untergebracht und wurden täglich 1 Std UV-bestrahlt. Diese beiden Tierräume wurden im Winter geheizt (meist über 20° C). Eine Gruppe lebte in einem Klimaraum (wechselnde Temperaturen), in dem täglich 18 Std lang Kunstlicht brannte. Einer letzten Gruppe wurde im Frühsommer die Tagdauer rasch verkürzt, so daß im Hochsommer schon Kurztag herrschte (Raumtemperatur über 20° C).Es wurden untersucht: das Körpergewicht, das Haarkleid, die motorische Aktivität und die Körpertemperatur.Auf Grund der Versuche wurde folgendes festgestellt: Das Körpergewicht bildet bei Tieren, die unter natürlichen Lichtverhältnissen leben, einen ausgeprägten Jahreszyklus. Bei Bilchen im ständigen Langtag war dieser nicht mehr zu erkennen; die Gewichte blieben gleich. Es fand demnach keine Fettspeicherung im Herbst statt. Obwohl das Haarkleid oft gewechselt wurde, blieb stets ein Sommerpelz erhalten. Ebenso war die motorische Aktivität dieser Bilche stets die gleiche, während Normaltiere ein Absinken der Aktivität im Herbst und ein Wiederansteigen im Frühjahr zeigten. Durch frühzeitige Verkürzung der Tagdauer konnten die Tiere schon im Juli veranlaßt werden, Fett zu speichern und ihr Haarkleid zu wechseln.Die Außentemperatur hat nicht den Einfluß auf den Winterschlaf, den man ihr meist zuschrieb. Im Winter schliefen Normaltiere bei Temperaturen um 24° C noch verhältnismäßig tief. Die Schlaftiefe ist allerdings bei niederen Temperaturen größer als bei hohen. Demnach stellt die Temperatur einen wichtigen, sekundären Faktor dar. Normale Sommertiere und Bilche aus dem ständigen Langtag blieben auch bei Kälte wach, wenn genügend Nahrung vorhanden war.Es wird der Schluß gezogen, daß durch die jahreszeitlichen Veränderungen der Tag-Nachtdauer eine endokrine Umstellung stattfindet, die Reservenspeicherung sowie die Winterschlafbereitschaft auslöst. Die Temperatur greift dann erst sekundär ein, indem sie die Tiefe der Lethargie steuert. Trotzdem erfolgt in gewissen Zeitabständen ein spontanes Erwachen.Das Problem Winterschlaf — Torpidity wird an Hand eigener Ergebnisse sowie Untersuchungen anderer Autoren diskutiert und dabei festgestellt, daß ersterer ein komplexes Phänomen darstellt, das vom Organismus wohl vorbereitet wird, während die Torpidity einer Kältestarre vergleichbar ist. Letztere ist daher nicht mit Winterschlaf gleichzusetzen.     

Intraspecific diversity in the fungal speciesChaunopycnis alba: Implications for microbial screening programs

Intraspecific variation among 84 isolates of the anamorphic fungusChaunopycnis alba from 26 different geographical locations was analyzed by investigating optimal growth temperatures, differences in the production of secondary metabolites and presence or absence of the cyclosporin synthetase gene. The genetic diversity was assessed using random amplified polymorphic DNA (RAPD). Analysis of these data showed high genetic, metabolic and physiological diversity within this species. Isolates from the Antarctic represented the most homogeneous group withinC. alba and together with isolates from the Arctic these polar strains differed from alpine, temperate and tropical strains by low optimal growth temperatures and by low production of secondary metabolites. Isolates from tropical climes were characterized by high optimal growth temperatures and by the production of comparatively diverse metabolite spectra. Most of the isolates that were similar in the combination of their physiological and metabolic characters were also genetically related. Isolates from different geographical origins did not show many similarities, with the exception of the cyclosporin A-producing isolates, and large diversity could be observed even within a single habitat. This leads us to the suggestion that for pharmaceutical screening programs samples should be collected from a diversity of different geographical and climatic locations. For the selection of strains for screening the RAPD assay seems to be the most powerful tool. It reflected the highest intraspecific diversity and the results corresponded well with the other characteristics.