[Перевод] Исследование показало, что тренировка мышц помогает росту нейронов
Несомненно, что физические упражнения приносят пользу организму. Регулярные занятия не только укрепляют мышцы, но и способствуют развитию костей, кровеносных сосудов и иммунной системы.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института обнаружили, что физические упражнения могут приносить пользу и на уровне отдельных нейронов. Учёные заметили, что когда мышцы сокращаются во время тренировки, они выделяют целый комплекс биохимических сигналов, миокинов. В присутствии этих сигналов, генерируемых мышцами, нейроны вырастали в четыре раза длиннее по сравнению с нейронами, не подвергавшимися воздействию миокинов. Эти эксперименты на клеточном уровне позволяют предположить, что физические упражнения могут оказывать значительное биохимическое воздействие на рост нервов.
Удивительно, но исследователи также обнаружили, что нейроны реагируют не только на биохимические сигналы физических упражнений, но и на физическое воздействие. Команда заметила, что когда нейроны многократно растягивают взад-вперёд, подобно тому, как мышцы сокращаются и расширяются во время упражнений, нейроны растут так же сильно, как и при воздействии миокинов из мышц.
Хотя предыдущие исследования указывали на потенциальную биохимическую связь между мышечной активностью и ростом нервов, данное исследование является первым, которое показывает, что физическое воздействие может быть столь же важным, говорят исследователи. Результаты, опубликованные недавно в журнале Advanced Healthcare Materials, проливают свет на связь между мышцами и нервами во время физических упражнений и могут стать основой терапии, связанной с упражнениями, для восстановления повреждённых и разрушенных нервов.
«Теперь, когда мы знаем о существовании обмена цитокинами между мышцами и нервами, это может быть полезно для лечения таких вещей, как травмы нервов, когда связь между нервами и мышцами прерывается», — говорит Риту Раман, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института имени Юджина Белла. «Возможно, если мы будем стимулировать мышцы, мы сможем побудить нерв к заживлению и вернуть подвижность тем, кто потерял её из-за травм или нейродегенеративных заболеваний».
Раман — старший автор нового исследования, в котором приняли участие Анхель Бу, Фердоус Афгах, Николас Кастро, Махира Бава, Соника Кохли, Карина Шах и Брэндон Риос с факультета машиностроения МТИ, а также Винсент Батти из Института интегративных исследований рака имени Коха МТИ.
Мышцы говорят
В 2023 году Раман и её коллеги сообщили, что смогли восстановить подвижность мышей, получивших травматическое повреждение мышц, сначала имплантировав мышечную ткань в место повреждения, а затем тренируя новую ткань путём многократного стимулирования её светом. Со временем трансплантат помог мышам восстановить двигательную функцию, достигнув уровня активности, сопоставимого со здоровыми мышами.
Когда исследователи проанализировали сам трансплантат, оказалось, что регулярные упражнения стимулируют пересаженную мышцу к выработке определённых биохимических сигналов, которые, как известно, способствуют росту нервов и кровеносных сосудов.
«Это было интересно, потому что мы всегда думаем, что нервы управляют мышцами, но не думаем о том, что мышцы разговаривают с нервами», — говорит Раман. «Поэтому мы стали думать, что стимуляция мышц способствует росту нервов. Некоторые считают, что, возможно, так оно и есть, но в организме животного сотни других типов клеток, и очень трудно доказать, что нерв растёт именно благодаря мышцам, а не иммунной системе или чему-то ещё».
В своём новом исследовании группа исследователей поставила перед собой задачу определить, оказывает ли тренировка мышц какое-либо прямое влияние на рост нервов, сосредоточившись исключительно на мышечной и нервной тканях. Исследователи вырастили мышечные клетки мыши, превратив их в длинные волокна, которые затем срослись и образовали небольшой лист зрелой мышечной ткани размером с мелкую монету.
Команда генетически модифицировала мышцу, чтобы она сокращалась, реагируя на свет. С помощью этой модификации команда могла многократно включать свет, заставляя мышцу сжиматься в ответ, что имитировало физические упражнения. Ранее Раман разработал новый гелевый коврик, на котором можно выращивать и тренировать мышечную ткань. Свойства геля таковы, что он может поддерживать мышечную ткань и предотвращать её отслаивание, когда исследователи стимулировали мышцу к тренировке.
Затем команда собрала образцы окружающего раствора, в котором тренировалась мышечная ткань, и решила, что в этом растворе должны содержаться миокины, включая факторы роста, РНК и смесь других белков.
«Я думаю, что миокины — это биохимический суп из веществ, выделяемых мышцами, некоторые из которых могут быть полезны для нервов, а другие не имеют к ним никакого отношения», — говорит Раман. «Мышцы практически всегда выделяют миокины, но когда вы их тренируете, они вырабатывают их ещё больше».
«Упражнение как лекарство»
Команда перенесла раствор миокинов в отдельную ёмкость с двигательными нейронами — нервами, расположенными в спинном мозге, которые управляют мышцами, участвующими в волевых движениях. Исследователи вырастили нейроны из стволовых клеток, полученных от мышей. Как и мышечная ткань, нейроны выращивались на аналогичном гелевом коврике. После того как нейроны подверглись воздействию смеси миокинов, команда заметила, что они быстро начали расти, в четыре раза быстрее, чем нейроны, не получившие биохимический раствор.
Учёные Массачусетского технологического института обнаружили, что рост двигательных нейронов значительно увеличивается в течение 5 дней в ответ на биохимические и механические сигналы, связанные с физической нагрузкой. Зелёный шар представляет собой скопление нейронов, которые растут наружу длинными хвостами, или аксонами.
«Они растут гораздо дальше и быстрее, и эффект проявляется довольно быстро», — отмечает Раман.
Чтобы лучше понять, как изменились нейроны в ответ на действие миокинов, команда провела генетический анализ, выделив РНК из нейронов, чтобы выяснить, вызывают ли миокины какие-либо изменения в экспрессии определённых нейронных генов.
«Мы увидели, что многие из генов, которые повышались в нейронах, стимулированных упражнениями, были связаны не только с ростом нейронов, но и с их созреванием, с тем, насколько хорошо они общаются с мышцами и другими нервами и насколько зрелыми являются их аксоны», — говорит Раман. «Похоже, что физические упражнения влияют не только на рост нейронов, но и на то, насколько зрелыми и хорошо функционирующими они являются».
Полученные результаты позволяют предположить, что биохимические эффекты физических упражнений могут способствовать росту нейронов. Тогда группа задалась вопросом: может ли чисто физическое воздействие упражнений давать аналогичную пользу?
«Нейроны физически прикреплены к мышцам, поэтому они также растягиваются и двигаются вместе с мышцами», — говорит Раман. «Мы также хотели узнать, можно ли даже в отсутствие биохимических сигналов от мышц растягивать нейроны вперёд-назад, имитируя механические усилия (при физических упражнениях), и может ли это также повлиять на рост?»
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи вырастили другой набор двигательных нейронов на гелевом коврике, в который были встроены крошечные магниты. Затем они использовали внешний магнит, чтобы покачать коврик и нейроны взад-вперёд. Таким образом, они «тренировали» нейроны в течение 30 минут в день. К своему удивлению, они обнаружили, что это механическое упражнение стимулировало рост нейронов так же, как и нейроны, стимулированные миокином, и они росли значительно дальше, чем нейроны, не получавшие физического стимула.
«Это хороший знак, потому что он говорит нам о том, что и биохимические, и физические эффекты упражнений одинаково важны», — говорит Раман.
Теперь, когда группа показала, что тренировка мышц может способствовать росту нервов на клеточном уровне, они планируют изучить, как целенаправленная стимуляция мышц может быть использована для роста и заживления повреждённых нервов и восстановления подвижности людей, живущих с нейродегенеративным заболеванием, таким как боковой амиотрофический склероз.
«Это только первый шаг на пути к пониманию и управлению физическими упражнениями как медициной», — говорит Раман.
