Wszyscy wiemy, że ćwiczenia są dobre dla zdrowia. Regularna aktywność fizyczna wzmacnia mięśnie, stawy, naczynia krwionośne i układ odpornościowy. Ale okazuje się, że ćwiczenia mogą również promować wzrost neuronów.
Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology ustalili, że podczas ćwiczeń mięśnie uwalniają substancje, które wyjątkowo dobrze działają na nerwy, pobudzając neurony do szybszego wzrostu. Odkrycia te mogą pomóc w regeneracji uszkodzonej tkanki nerwowej i być może w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych, takich jak stwardnienie zanikowe boczne (ALS).
Rezultaty oraz opis badań ukazał się na łamach pisma „Advanced Healthcare Materials” (DOI: 10.1002/adhm.202403712).
Miokiny
Regularna aktywność fizyczna niesie ze sobą wiele korzyści dla naszego samopoczucia oraz zdrowia organizmu. Ćwiczenia wzmacniają mięśnie i stawy oraz pomagają w zwalczaniu niektórych chorób. Ale to nie jedyne zalety ćwiczeń. W niedawnych badaniach naukowcy z MIT odkryli, że aktywność fizyczna może mieć również korzystny wpływ na neurony.
Uczeni w badaniach dostrzegli, że efekty ćwiczeń mogą pomóc w regeneracji uszkodzonej tkanki nerwowej. Kiedy mięśnie kurczą się podczas ćwiczeń, uwalniają one związki zwane miokinami. W ich obecności neurony myszy rosły cztery razy szybciej w porównaniu do neuronów, które nie były wystawione na działanie miokin. Te eksperymenty na poziomie komórkowym sugerują, że ćwiczenia mogą mieć znaczący biochemiczny wpływ na wzrost nerwów.
Co więcej, w badaniach okazało się, że neurony reagują nie tylko na sygnały biochemiczne wynikające z ćwiczeń, ale także na ich fizyczne oddziaływanie. Kiedy neurony są wielokrotnie rozciągane tam i z powrotem, podobnie jak mięśnie kurczą się i rozszerzają podczas ćwiczeń, rosną tak samo, jak wtedy, gdy są wystawione na działanie miokin wytwarzanych przez mięśnie.
Miokiny należą do cytokin i są wytwarzane przez włókna mięśniowe. Pełnią wiele funkcji. Mają działanie przeciwzapalne, stymulują redukcję tkanki tłuszczowej, wspomagają proces tworzenia nowych naczyń krwionośnych i wzmagają wrażliwość tkanek na insulinę. Biorą udział w zmianach metabolicznych związanych z wysiłkiem fizycznym. Uczestniczą także w regeneracji tkanek, utrzymaniu zdrowego funkcjonowania organizmu i immunomodulacji.
Interakcja mięśni z nerwami
Rezultaty uzyskane przez badaczy rzucają więcej światła na połączenie między mięśniami i nerwami podczas ćwiczeń i mogą stanowić podstawę terapii naprawy uszkodzonych i zanikających nerwów. Dokładna znajomość interakcji między mięśniami a nerwami może pomóc leczyć chociażby uszkodzenie nerwu, w którym komunikacja między nerwem a mięśniem została zerwana.
– Może jeśli pobudzimy mięsień, będziemy mogli pobudzić nerw do gojenia się i przywrócić ruchomość tym, którzy ją utracili z powodu urazu lub chorób neurodegeneracyjnych – mówi Ritu Raman z MIT.
Poprzednie badania
Obecne badania są kontynuacją wcześniejszych prac. W 2023 roku zespół Raman wykazał, że można przywrócić ruchomość u myszy, które doznały urazowego uszkodzenia mięśni, poprzez wszczepienie tkanki mięśniowej w miejsce urazu, a następnie ćwicząc nową tkankę. W badaniach tych naukowcy odkryli, że dobrze wyćwiczony przeszczep pomógł myszom odzyskać funkcje motoryczne. Gryzonie po interwencji osiągnęły poziom sprawności porównywalny do zdrowych myszy.
Kiedy naukowcy przeanalizowali sam przeszczep, okazało się, że regularne ćwiczenia stymulowały przeszczepiony mięsień do wytwarzania pewnych sygnałów biochemicznych, o których wiadomo, że promują wzrost nerwów i naczyń krwionośnych. – To było interesujące. Mamy tendencję do myślenia, że to nerwy kontrolują mięśnie, ale nie myślimy o mięśniach, które odpowiadają nerwom. Zaczęliśmy więc myśleć, że stymulacja mięśni stymuluje wzrost nerwów. Inni odpowiadali nam, że może tak jest, ale w organizmach zwierząt są setki innych typów komórek i naprawdę trudno udowodnić, że nerw rośnie lepiej z powodu mięśni, a nie układu odpornościowego lub czegoś innego odgrywającego rolę – mówi Raman.
Dlatego badacze postawili sobie za cel nowych badań ustalenie, czy ćwiczenia mięśni mają jakikolwiek bezpośredni wpływ na wzrost nerwów, skupiając się wyłącznie na mięśniach i tkance nerwowej.
Neurony rosną, gdy mięśnie pracują
Naukowcy swoje badania zaczęli od wyhodowania komórek mięśniowych myszy, tworząc z nich długie włókna, które następnie połączyły się w dojrzałą tkankę mięśniową. Mięśnie zostały tak zmodyfikowane, by kurczyły się w odpowiedzi na światło. Dzięki temu uczeni mogli stymulować mięśnie i naśladować ich aktywność błyskają w ich kierunku światłem. We wcześniejszych pracach Raman wraz z zespołem opracowała matę żelową, która zapobiegała odrywaniu się czy odklejaniu tkanki mięśniowej od podłoża podczas jej stymulacji światłem.
Po serii ćwiczeń mięśnia, czyli stymulacji go światłem, naukowcy zebrali próbki otaczającego roztworu, sądząc, że powinien zawierać miokiny, w tym czynniki wzrostu, RNA i mieszankę innych białek. Roztwór został następnie przeniesiony do naczynia zawierającego neurony ruchowe wyhodowane z komórek macierzystych myszy.
Po wystawieniu neuronów na działanie roztworu zespół zaobserwował, że neurony zaczęły szybko rosnąć, nawet cztery razy szybciej i dalej niż neurony, które nie miały kontaktu z roztworem. W dalszych badaniach naukowcy przeprowadzili analizę genetyczną, wyodrębniając RNA z neuronów, aby sprawdzić, czy miokiny wywołały jakąkolwiek zmianę w ekspresji niektórych genów neuronalnych.
– Zauważyliśmy, że wiele genów regulowanych w neuronach stymulowanych ćwiczeniami było związanych nie tylko ze wzrostem neuronów, ale także dojrzewaniem neuronów, tym, jak dobrze komunikują się z mięśniami i innymi nerwami oraz jak dojrzałe są aksony. Ćwiczenia wydają się wpływać nie tylko na wzrost neuronów, ale także na to, jak są dojrzałe i jak dobrze funkcjonują – wyjaśnia Raman.
Badania pokazały, że biochemiczne efekty ćwiczeń mogą promować wzrost neuronów. Ale naukowcy zastanawiali się, czy czysto fizyczne skutki ćwiczeń mogą mieć podobne korzyści? – Neurony są fizycznie przyczepione do mięśni, więc również rozciągają się i poruszają wraz z mięśniami. Chcieliśmy sprawdzić, czy nawet przy braku biochemicznych sygnałów z mięśni możemy rozciągać neurony tam i z powrotem, naśladując siły mechaniczne i czy może to mieć również wpływ na ich wzrost? – mówi Raman.
Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy wyhodowali inny zestaw neuronów ruchowych na macie żelowej, w której umieścili maleńkie magnesy. Następnie użyli zewnętrznego magnesu, aby „ćwiczyć” neurony przez 30 minut dziennie. Ku swojemu zaskoczeniu odkryli, że to mechaniczne ćwiczenie stymulowało neurony do wzrostu w takim samym stopniu, jak neurony indukowane roztworem z miokinami. – To dobry znak, ponieważ mówi nam, że zarówno biochemiczne, jak i fizyczne skutki ćwiczeń są równie ważne — mówi Raman.
Teraz, gdy grupa wykazała, że ćwiczenia mięśni mogą promować wzrost nerwów na poziomie komórkowym, naukowcy planują zbadać, w jaki sposób ukierunkowana stymulacja mięśni może być wykorzystywana do wzrostu i leczenia uszkodzonych nerwów oraz przywracania ruchomości osobom żyjącym z chorobami neurodegeneracyjnymi, takim jak ALS.
Źródło: Massachusetts Institute of Technology, fot. PxHere/cc0
