Регулярные физические нагрузки оказывают благоприятное воздействие на организм, укрепляя не только мышечную систему, но и способствуя развитию костной ткани, улучшению кровообращения и укреплению иммунной защиты.
Исследователи Массачусетского технологического института установили, что физическая активность может оказывать влияние и на уровне отдельных нейронов. В ходе экспериментов было обнаружено, что при сокращении мышечных волокон во время упражнений происходит высвобождение комплекса биологических сигнальных молекул — миокинов. Под воздействием этих веществ нейроны продемонстрировали четырёхкратное увеличение длины по сравнению с клетками, не подвергавшимися воздействию миокинов. Эти результаты свидетельствуют о потенциально значимом биохимическом механизме, посредством которого физические нагрузки могут стимулировать рост нервной ткани.
Дополнительно исследование показало, что нейроны реагируют не только на химические сигналы, но и на механическое воздействие. Учёные имитировали процесс многократного растяжения нейронов, аналогичного ритмичным сокращениям мышц при тренировке, и зафиксировали аналогичный эффект ускоренного роста нейронов, как и при воздействии миокинов. Это указывает на значимость как биохимических, так и механических факторов в стимулировании нейронального роста.
Хотя в предыдущих работах уже выдвигалась гипотеза о существовании биохимической связи между мышечной активностью и ростом нервной ткани, текущее исследование впервые подчёркивает, что физическое воздействие может играть столь же значимую роль. Результаты, опубликованные в журнале Advanced Healthcare Materials, раскрывают механизмы взаимодействия между мышечной и нервной тканью в процессе физических упражнений. Эти данные могут стать основой для разработки терапевтических подходов, направленных на восстановление повреждённых или утраченных нервов с применением методов физической стимуляции.
«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 является старшим автором исследования. В работе также приняли участие Анхель Бу, Фердоус Афгах, Николас Кастро, Махира Бава, Соника Кохли, Карина Шах и Брэндон Риос с факультета машиностроения Массачусетского технологического института, а также Винсент Батти из Института интегративных исследований рака имени Коха при МТИ.
Межклеточная коммуникация мышц и нервов
В 2023 году команда под руководством Раман представила результаты проекта, в рамках которого у лабораторных мышей с тяжёлыми повреждениями мышечной ткани была частично восстановлена двигательная функция. Это стало возможно благодаря пересадке мышечной ткани и её последующей стимуляции светом. С течением времени регенерированная ткань обеспечивала мышам двигательную активность, сопоставимую с показателями здоровых особей.
Детальный анализ пересаженной ткани показал, что систематическая физическая стимуляция способствует усиленной секреции биологических сигнальных молекул, известных как миокины. Эти вещества, как было установлено, играют роль в активации процессов роста нервной и сосудистой ткани.
«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 новом исследовании учёные поставили задачу оценить, оказывает ли физическая активность мышц непосредственное влияние на развитие нервной ткани. Для исключения влияния сторонних клеточных типов они ограничились изучением только мышечной и нервной ткани.
В лабораторных условиях исследователи вырастили мышечные клетки мышей, которые соединились в вытянутые мышечные волокна, сформировав тканевый фрагмент размером с мелкую монету. Эта ткань была генетически модифицирована таким образом, чтобы сокращаться в ответ на воздействие света. Такая модификация позволила точно контролировать ритм и частоту сокращений мышц, имитируя условия физической активности.
Ранее Раман разработала специальный гелевый подложечный материал, способный удерживать мышечную ткань при её стимуляции и предотвращать отслаивание клеток от поверхности в процессе тренировок.
По завершении цикла стимуляции исследователи собрали образцы питательной среды, в которой культивировалась мышечная ткань. В этом растворе, как предполагалось, содержались миокины — биомолекулы, включая факторы роста, различные типы РНК и белков, выделяемые активной мышечной тканью.
«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»
Исследователи перенесли раствор, содержащий миокины, в культуру двигательных нейронов — клеток спинного мозга, управляющих скелетной мускулатурой и обеспечивающих произвольные движения. Эти нейроны были получены из мышиных стволовых клеток и выращены на гелевом основании, аналогичном использованному для формирования мышечной ткани. После воздействия биохимического раствора наблюдался стремительный рост аксонов: нейроны удлинялись в четыре раза быстрее по сравнению с контрольной группой, не подвергшейся воздействию миокинов.
«Они растут гораздо дальше и быстрее, и эффект проявляется довольно быстро», — отмечает Раман.
Для более детального анализа влияния миокинов исследователи провели транскриптомный анализ нейронов. Извлекая РНК из клеток, они оценили изменения в экспрессии генов под действием миокинов, сравнивая эти данные с контрольной группой.
«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».
Эти данные подтверждают, что биохимическая стимуляция, возникающая в результате мышечной активности, способствует не только ускоренному росту нейронов, но и улучшает их функциональные характеристики. В связи с этим исследователи поставили вопрос: может ли механическое воздействие, без участия миокинов, вызывать сопоставимые изменения?
«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?»
Для этого был сформирован ещё один образец двигательных нейронов, размещённых на гелевой подложке с интегрированными миниатюрными магнитами. С помощью внешнего магнитного поля учёные создавали механические колебания подложки, тем самым периодически перемещая нейроны, имитируя физическую нагрузку. Механическая стимуляция продолжалась по 30 минут в день.
По результатам наблюдений установлено, что такое физическое воздействие приводило к заметному увеличению длины аксонов. Причём степень роста оказалась сопоставимой с теми результатами, что наблюдались при биохимической стимуляции миокинами.
«Это хороший знак, потому что он говорит нам о том, что и биохимические, и физические эффекты упражнений одинаково важны», — говорит Раман.
С учётом продемонстрированного влияния мышечной активности на регенерацию нервных клеток на клеточном уровне, исследовательская группа планирует перейти к следующему этапу — изучению целенаправленной стимуляции мышц как потенциального метода активации роста повреждённых нервов. Это направление особенно перспективно для разработки восстановительных подходов при нейродегенеративных патологиях, таких как боковой амиотрофический склероз.
«Это только первый шаг на пути к пониманию и управлению физическими упражнениями как медициной», — говорит Раман.