運(yùn)動(dòng)即藥物：科學(xué)家揭示神經(jīng)修復(fù)新機(jī)制

毫無疑問，鍛煉對(duì)身體有益。規(guī)律的運(yùn)動(dòng)不僅能強(qiáng)化肌肉，還能增強(qiáng)骨骼、血管和免疫系統(tǒng)的功能。

如今，美國麻省理工學(xué)院的工程師發(fā)現(xiàn)，鍛煉還可以在單個(gè)神經(jīng)元的層面上發(fā)揮作用。他們觀察到，當(dāng)肌肉在運(yùn)動(dòng)中收縮時(shí)，會(huì)釋放一種被稱為肌因的生化信號(hào)“混合物”。在這些由肌肉產(chǎn)生的信號(hào)作用下，神經(jīng)元的生長(zhǎng)速度是未接觸肌因神經(jīng)元的4倍。這些細(xì)胞水平的實(shí)驗(yàn)表明，運(yùn)動(dòng)在促進(jìn)神經(jīng)生長(zhǎng)方面具有顯著的生化效應(yīng)。

令人驚訝的是，研究人員還發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元不僅對(duì)運(yùn)動(dòng)的生化信號(hào)有反應(yīng)，也會(huì)受到其物理作用的影響。研究團(tuán)隊(duì)觀察到，當(dāng)神經(jīng)元反復(fù)受到拉伸和壓縮——類似于肌肉在運(yùn)動(dòng)中收縮和舒展的過程——這些神經(jīng)元的生長(zhǎng)程度與暴露于肌因時(shí)的生長(zhǎng)程度相當(dāng)。

盡管此前的研究已表明，肌肉活動(dòng)與神經(jīng)生長(zhǎng)之間可能存在生化聯(lián)系，但研究人員指出，這是首個(gè)展示物理效應(yīng)同樣重要的研究。相關(guān)結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在期刊上，這為鍛煉過程中肌肉和神經(jīng)之間的關(guān)系提供了新的見解，并可能為修復(fù)受損或退化的神經(jīng)提供相關(guān)的運(yùn)動(dòng)療法建議。

“現(xiàn)在我們知道這種肌肉與神經(jīng)之間的交互作用確實(shí)存在，這對(duì)于治療神經(jīng)損傷等問題非常有幫助，例如神經(jīng)與肌肉的交流被切斷的情況?！甭槭±砉W(xué)院機(jī)械工程系尤金·貝爾職業(yè)發(fā)展助理教授拉曼表示，“或許通過刺激肌肉，我們能夠促進(jìn)神經(jīng)的愈合，從而幫助那些因創(chuàng)傷性損傷或神經(jīng)退行性疾病而失去行動(dòng)能力的人恢復(fù)移動(dòng)能力?！?/p>

肌肉的“對(duì)話”

2023年，拉曼和她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過在創(chuàng)傷性肌肉損傷部位植入肌肉組織，并用光反復(fù)刺激新植入的組織進(jìn)行“鍛煉”，可以恢復(fù)小鼠的運(yùn)動(dòng)能力。隨著時(shí)間的推移，研究人員發(fā)現(xiàn)，這種鍛煉過的移植物幫助小鼠恢復(fù)了運(yùn)動(dòng)功能，其活動(dòng)水平與健康小鼠相當(dāng)。

研究人員對(duì)移植物進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)規(guī)律的鍛煉會(huì)刺激移植肌肉產(chǎn)生某些生化信號(hào)，這些信號(hào)已知能夠促進(jìn)神經(jīng)和血管的生長(zhǎng)。

“這點(diǎn)很有趣，因?yàn)槲覀兺ǔＵJ(rèn)為神經(jīng)控制肌肉，但很少想到肌肉會(huì)向神經(jīng)‘回話’?！崩f，“于是我們開始思考，刺激肌肉是否會(huì)促進(jìn)神經(jīng)生長(zhǎng)。然而，也有人質(zhì)疑這一結(jié)論，認(rèn)為在動(dòng)物體內(nèi)可能還有數(shù)百種其他類型的細(xì)胞參與，很難證明神經(jīng)的生長(zhǎng)是直接由肌肉引起的，而不是免疫系統(tǒng)或其他因素在起作用?！?/p>

在這項(xiàng)新研究中，團(tuán)隊(duì)旨在確定鍛煉肌肉是否直接影響神經(jīng)生長(zhǎng)。他們將研究范圍集中在肌肉和神經(jīng)組織本身。研究人員先將小鼠肌肉細(xì)胞培養(yǎng)成細(xì)長(zhǎng)的纖維，這些纖維隨后融合成一片約有硬幣大小的成熟肌肉組織。

團(tuán)隊(duì)對(duì)這些肌肉組織進(jìn)行了基因改造，使其能夠?qū)猱a(chǎn)生收縮反應(yīng)。這種改造讓研究人員通過反復(fù)閃光刺激肌肉收縮，從而模擬鍛煉的過程。拉曼此前開發(fā)了一種創(chuàng)新的凝膠墊，可以用于培養(yǎng)和鍛煉肌肉組織。這種凝膠材料具有支撐肌肉組織的特性，同時(shí)在鍛煉過程中防止肌肉組織脫落。

隨后，研究人員收集了肌肉鍛煉時(shí)周圍溶液的樣本，推測(cè)這些溶液中應(yīng)含有肌因，包括生長(zhǎng)因子、RNA以及其他蛋白質(zhì)的混合物。

“我將肌因視為肌肉分泌的一種‘生化濃湯’，其中一些成分對(duì)神經(jīng)有益，而其他成分可能與神經(jīng)無關(guān)?！崩忉尩?，“肌肉幾乎一直在分泌肌因，但當(dāng)你鍛煉時(shí)，它們的分泌量會(huì)增加?！?/p>

團(tuán)隊(duì)將肌因溶液轉(zhuǎn)移到一個(gè)裝有運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的獨(dú)立培養(yǎng)皿中。這些神經(jīng)元來自控制自愿運(yùn)動(dòng)的脊髓神經(jīng)，由小鼠干細(xì)胞培養(yǎng)而成。與肌肉組織一樣，這些神經(jīng)元也在類似的凝膠墊上生長(zhǎng)。在接觸到肌因混合物后，研究團(tuán)隊(duì)觀察到神經(jīng)元快速生長(zhǎng)，其速度是未接觸生化溶液神經(jīng)元的4倍。

“它們生長(zhǎng)得更遠(yuǎn)、更快，且效果幾乎是立竿見影的。”拉曼指出。

為深入了解神經(jīng)元如何對(duì)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的肌因作出反應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了基因分析，從神經(jīng)元中提取RNA以檢測(cè)肌因是否引起了某些神經(jīng)元基因表達(dá)的變化。

“我們發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)刺激的神經(jīng)元中許多上調(diào)的基因不僅與神經(jīng)元生長(zhǎng)有關(guān)，還涉及神經(jīng)元的成熟度、與肌肉和其他神經(jīng)的通信能力，以及軸突的成熟程度?！崩f，“運(yùn)動(dòng)似乎不僅影響神經(jīng)元的生長(zhǎng)，還對(duì)它們的成熟度和功能性產(chǎn)生影響?！?/p>

這些結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)的生化效應(yīng)能夠促進(jìn)神經(jīng)元生長(zhǎng)。接著，研究團(tuán)隊(duì)思考：運(yùn)動(dòng)的純粹物理效應(yīng)是否也會(huì)產(chǎn)生類似的益處？

“神經(jīng)元物理上附著在肌肉上，因此它們隨著肌肉的運(yùn)動(dòng)而伸展和移動(dòng)?！崩硎?，“我們還想知道，即使沒有來自肌肉的生化信號(hào)，是否可以通過拉伸神經(jīng)元，模擬運(yùn)動(dòng)的機(jī)械力，從而對(duì)神經(jīng)元的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。”

為此，研究人員將另一組運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元培養(yǎng)在嵌入了微型磁體的凝膠墊上，然后使用外部磁體使凝膠墊和神經(jīng)元來回震動(dòng)。通過這種方式，他們每天“鍛煉”神經(jīng)元30分鐘。令他們驚訝的是，這種機(jī)械運(yùn)動(dòng)同樣刺激了神經(jīng)元的生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)程度與受到肌因作用的神經(jīng)元相當(dāng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過未受任何形式鍛煉的神經(jīng)元?！斑@是一個(gè)好跡象，表明運(yùn)動(dòng)的生化和物理效應(yīng)同樣重要?！崩f道。

在證明鍛煉肌肉能夠在細(xì)胞水平上促進(jìn)神經(jīng)生長(zhǎng)后，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃研究如何利用針對(duì)性的肌肉刺激來促進(jìn)受損神經(jīng)的生長(zhǎng)和修復(fù)，從而幫助患有ALS等神經(jīng)退行性疾病的人恢復(fù)行動(dòng)能力。

“這只是我們理解和控制‘運(yùn)動(dòng)即藥物’的第一步?！崩硎尽?/p>