一项新的研究表明，当肌肉锻炼时，它们有助于神经元的生长。这些发现表明，锻炼的生化和物理效应可能有助于修复神经。2024年11月15日
研究人员观察到，当肌肉在锻炼时收缩，会释放一种称为肌动蛋白的生化信号混合物。在这些由肌肉产生的信号存在下，神经元的生长速度比未接触肌动蛋白的神经元快四倍。这些细胞水平的实验表明，锻炼可以对神经生长产生显著的生化影响。
令人惊讶的是，研究人员还发现，神经元不仅对锻炼的生化信号有反应，也对其物理影响有反应。研究团队观察到，当神经元反复被拉伸和压缩，类似于肌肉在锻炼时的收缩和舒张，神经元的生长情况与接触肌动蛋白时相同。
虽然以前的研究已经表明肌肉活动和神经生长之间可能存在生化联系，但这是首次证明物理效应同样重要。该研究结果发表在《先进医疗材料》杂志上，揭示了锻炼过程中肌肉和神经之间的联系，可能为修复受损和退化的神经提供锻炼相关的疗法。
“现在我们知道这种肌肉-神经交流存在，这可以用于治疗如神经损伤等情况，其中神经和肌肉之间的通信被切断。”麻省理工学院机械工程系Eugene Bell职业发展助理教授Ritu Raman说，“也许如果我们刺激肌肉，可以鼓励神经愈合，恢复因创伤性损伤或神经退行性疾病而失去行动能力的人的移动能力。”
Raman是这项新研究的资深作者，研究团队还包括麻省理工学院机械工程系的Angel Bu、Ferdows Afghah、Nicolas Castro、Maheera Bawa、Sonika Kohli、Karina Shah和Brandon Rios，以及麻省理工学院Koch综合癌症研究所的Vincent Butty。
2023年，Raman及其同事报告称，他们可以通过首先在受伤部位植入肌肉组织，然后通过光刺激反复锻炼新组织，来恢复遭受创伤性肌肉损伤的小鼠的移动能力。随着时间的推移，他们发现锻炼的移植组织帮助小鼠恢复了运动功能，达到了与健康小鼠相当的活动水平。
当研究人员分析移植组织本身时，发现定期锻炼刺激移植肌肉产生了某些已知可促进神经和血管生长的生化信号。“这很有趣，因为我们通常认为神经控制肌肉，但没想到肌肉也会向神经‘说话’。”Raman说，“因此我们开始认为刺激肌肉可以促进神经生长。人们回应说，这可能是事实，但在动物体内还有数百种其他细胞类型，很难证明神经的生长是因为肌肉，而不是免疫系统或其他因素的作用。”
在他们的新研究中，研究团队试图确定锻炼肌肉是否对神经如何生长有任何直接影响，为此他们仅关注肌肉和神经组织。研究人员将小鼠肌肉细胞培养成长纤维，然后融合形成约硬币大小的成熟肌肉组织。
研究团队对肌肉进行了基因改造，使其能在光的刺激下收缩。通过这一改造，研究团队可以反复闪烁光线，使肌肉像锻炼一样收缩。Raman之前开发了一种新型凝胶垫，用于培养和锻炼肌肉组织。这种凝胶的特性可以支持肌肉组织，防止其在研究人员刺激肌肉进行锻炼时剥落。
随后，研究团队收集了肌肉组织锻炼时周围溶液的样本，认为溶液中应含有肌动蛋白，包括生长因子、RNA和其他蛋白质的混合物。“我认为肌动蛋白是一种肌肉分泌的生化混合物，其中一些可能对神经有益，另一些可能与神经无关。”Raman说，“肌肉几乎一直在分泌肌动蛋白，但当你锻炼它们时，它们会产生更多。”
研究团队将肌动蛋白溶液转移到一个装有运动神经元的单独培养皿中。运动神经元是脊髓中控制自愿运动肌肉的神经。与肌肉组织一样，神经元也在类似的凝胶垫上生长。神经元接触肌动蛋白混合物后，研究团队观察到它们迅速开始生长，速度比未接触生化溶液的神经元快四倍。“它们生长得更远更快，效果几乎是立竿见影的。”Raman指出。
为了更详细地了解神经元在接触锻炼诱导的肌动蛋白后的变化，研究团队进行了基因分析，提取了神经元的RNA，以查看肌动蛋白是否引起了某些神经元基因表达的变化。“我们发现，在受锻炼刺激的神经元中，许多上调的基因不仅与神经元生长有关，还与神经元成熟、与肌肉和其他神经元的交流能力以及轴突的成熟度有关。”Raman说，“锻炼似乎不仅影响神经元的生长，还影响其成熟度和功能。”
研究结果表明，锻炼的生化效应可以促进神经元生长。接着，研究团队提出了一个问题：锻炼的纯物理影响是否有类似的益处？“神经元物理连接在肌肉上，因此它们也会随着肌肉的拉伸和移动而移动。”Raman说，“即使在没有来自肌肉的生化信号的情况下，我们也可以通过模仿机械力（即锻炼）来回拉伸神经元，这是否会对生长产生影响？”
为了回答这个问题，研究团队在一个嵌入微小磁铁的凝胶垫上培养了另一组运动神经元。然后，他们用外部磁铁来回抖动凝胶垫和神经元。这样，他们“锻炼”了神经元，每天30分钟。令他们惊讶的是，这种机械锻炼刺激神经元生长的程度与肌动蛋白诱导的神经元相同，生长距离明显超过未接受任何形式锻炼的神经元。“这是一个好迹象，因为它告诉我们锻炼的生化和物理效应同样重要。”Raman说。
现在研究团队已经证明锻炼肌肉可以在细胞水平上促进神经生长，他们计划研究如何利用定向肌肉刺激来生长和修复受损神经，恢复患有ALS等神经退行性疾病的人的行动能力。“这只是我们朝着理解和控制‘锻炼即药物’迈出的第一步。”Raman说。
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