Fizyczne i biochemiczne korzyści ćwiczeń: nowe spojrzenie na regenerację układu nerwowego

Nie ma wątpliwości, że ćwiczenia mają korzystny wpływ na nasze ciało. Regularna aktywność fizyczna nie tylko wzmacnia mięśnie, ale również korzystnie wpływa na nasze kości, naczynia krwionośne i układ odpornościowy.

Teraz inżynierowie z MIT odkryli, że ćwiczenia mogą mieć również pozytywny wpływ na poziomie poszczególnych neuronów. Zaobserwowali oni, że gdy mięśnie kurczą się podczas ćwiczeń, uwalniają koktajl biochemicznych sygnałów zwanych miokinami. W obecności tych sygnałów generowanych przez mięśnie, neurony rosły czterokrotnie dalej w porównaniu do neuronów, które nie były narażone na działanie miokin. Eksperymenty na poziomie komórkowym sugerują, że ćwiczenia mogą wywierać znaczący biochemiczny wpływ na wzrost nerwów.

Co ciekawe, badacze odkryli również, że neurony reagują nie tylko na biochemiczne sygnały ćwiczeń, ale także na ich fizyczne oddziaływania. Zespół zaobserwował, że gdy neurony są wielokrotnie rozciągane i kurczone, podobnie jak mięśnie podczas ćwiczeń, wzrastają równie intensywnie jak te wystawione na działanie miokin.

Podczas gdy wcześniejsze badania sugerowały możliwy biochemiczny związek między aktywnością mięśni a wzrostem nerwów, to badanie po raz pierwszy pokazuje, że efekty fizyczne mogą być równie ważne – twierdzą badacze. Wyniki, które zostaną opublikowane w czasopiśmie Advanced Healthcare Materials, rzucają światło na związek między mięśniami a nerwami podczas ćwiczeń i mogą dostarczyć informacji do terapii opartych na ćwiczeniach, mających na celu naprawę uszkodzonych nerwów.

„Teraz, gdy wiemy, że istnieje komunikacja między mięśniami a nerwami, może to być użyteczne w leczeniu takich schorzeń jak uszkodzenie nerwów, gdzie komunikacja między nerwem a mięśniem zostaje przerwana” – mówi Ritu Raman, asystentka profesora inżynierii mechanicznej w MIT. „Być może, jeśli stymulujemy mięśnie, możemy zachęcić nerwy do regeneracji i przywrócić mobilność osobom, które ją utraciły w wyniku urazu lub chorób neurodegeneracyjnych.”

Raman jest głównym autorem nowego badania, które obejmuje także Angel Bu, Ferdows Afghah, Nicolas Castro, Maheera Bawa, Sonika Kohli, Karina Shah oraz Brandon Rios z Wydziału Inżynierii Mechanicznej MIT, a także Vincent Butty z Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Rozmowa mięśni

W 2023 roku Raman i jej współpracownicy donosili, że udało im się przywrócić mobilność myszom, które doznały urazu mięśni, poprzez wszczepienie tkanki mięśniowej w miejsce urazu, a następnie stymulowanie jej światłem. Z czasem stwierdzili, że ćwiczone przeszczepy pomogły myszom odzyskać funkcje motoryczne, osiągając poziom aktywności porównywalny do zdrowych myszy.

Kiedy badacze analizowali przeszczepioną tkankę, zauważyli, że regularne ćwiczenia stymulowały mięśnie do produkcji określonych sygnałów biochemicznych, które promują wzrost nerwów i naczyń krwionośnych.

„To było interesujące, ponieważ zazwyczaj myślimy, że nerwy kontrolują mięśnie, ale nie myślimy o tym, że mięśnie mogą odpowiadać nerwom” – mówi Raman. „Zaczęliśmy więc podejrzewać, że stymulacja mięśni może sprzyjać wzrostowi nerwów. Ludzie odpowiadali jednak, że może to być prawda, ale w organizmie jest setki innych typów komórek i trudno udowodnić, że wzrost nerwów jest bezpośrednim efektem działania mięśni, a nie układu odpornościowego czy innych czynników.”

W nowym badaniu zespół postanowił sprawdzić, czy ćwiczenia mięśni mają bezpośredni wpływ na wzrost nerwów, skupiając się wyłącznie na tkance mięśniowej i nerwowej. Badacze wyhodowali komórki mięśni myszy, które połączyły się, tworząc małą warstwę dojrzałej tkanki mięśniowej o wielkości monety.

Zespół genetycznie zmodyfikował mięśnie tak, aby kurczyły się w odpowiedzi na światło. Dzięki tej modyfikacji mogli oni wielokrotnie błyskać światłem, co powodowało kurczenie się mięśni, symulując akt ćwiczeń. Raman wcześniej opracowała specjalną matę żelową do hodowli i stymulacji mięśni, która podtrzymywała tkankę mięśniową, zapobiegając jej odklejaniu się podczas ćwiczeń.

Zespół zebrał próbki otaczającego roztworu, w którym ćwiczono tkankę mięśniową, zakładając, że będzie on zawierać miokiny, w tym czynniki wzrostu, RNA oraz mieszankę innych białek.

„Ćwiczenia jako lek”

Zespół przeniósł roztwór miokin do oddzielnej miseczki zawierającej neurony ruchowe — nerwy znajdujące się w rdzeniu kręgowym, które kontrolują mięśnie zaangażowane w ruchy dowolne. Neurony były hodowane na podobnej macie żelowej. Po wystawieniu neuronów na działanie mieszanki miokin, zespół zaobserwował, że neurony szybko zaczęły rosnąć, czterokrotnie szybciej niż te, które nie otrzymały roztworu biochemicznego.

„Rośną znacznie szybciej i dalej, a efekt jest natychmiastowy” – zauważa Raman.

Wyniki sugerują, że biochemiczne efekty ćwiczeń mogą promować wzrost neuronów. Zespół postanowił jednak sprawdzić, czy fizyczne oddziaływania ćwiczeń mogą mieć podobny wpływ.

„Neurony są fizycznie połączone z mięśniami, więc również są rozciągane i poruszają się razem z mięśniami” – mówi Raman. „Chcieliśmy sprawdzić, czy nawet bez sygnałów biochemicznych z mięśni możemy rozciągać neurony i czy to będzie miało wpływ na ich wzrost.”

W tym celu badacze wyhodowali zestaw neuronów ruchowych na macie żelowej z małymi magnesami. Następnie za pomocą zewnętrznego magnesu potrząsali matą i neuronami, symulując ćwiczenia przez 30 minut dziennie. Ku ich zaskoczeniu odkryli, że mechaniczne ćwiczenia stymulowały wzrost neuronów tak samo jak roztwór miokin, powodując znacznie szybszy wzrost niż u neuronów bez ćwiczeń.

„To dobry znak, ponieważ pokazuje, że zarówno biochemiczne, jak i fizyczne efekty ćwiczeń są równie ważne” – podsumowuje Raman.

Zespół planuje teraz badać, jak celowana stymulacja mięśni może być wykorzystana do wspierania wzrostu i regeneracji uszkodzonych nerwów, przywracając mobilność osobom cierpiącym na choroby neurodegeneracyjne, takie jak ALS.

„To dopiero pierwszy krok w kierunku zrozumienia i kontrolowania ćwiczeń jako formy leczenia” – podkreśla Raman.

Źródło: Jennifer Chu, MIT News, Massachusetts Institute of Technology, fot. Adobe