运动还可以改变神经元的生长

毫无疑问，运动对身体有益。经常锻炼不仅可以增强肌肉，还可以增强骨骼、血管和免疫系统。

现在，麻省理工学院的工程师们发现，运动对单个神经元也有好处。他们观察到，当肌肉在运动过程中收缩时，它们会释放出一种叫做肌动蛋白的生化信号。

在这些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，运动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，神经元不仅对运动的生化信号有反应，而且对运动的物理影响也有反应。研究小组观察到，当神经元反复被拉来拉去时，就像肌肉在运动过程中收缩和扩张一样，神经元的生长速度与暴露在肌肉的肌动蛋白下一样快。

研究人员表示，尽管先前的研究表明肌肉活动和神经生长之间存在潜在的生化联系，但这项研究首次表明身体效应可能同样重要。该研究结果发表在《先进医疗材料》杂志上，揭示了运动过程中肌肉和神经之间的联系，并可能为修复受损和退化的神经的运动相关疗法提供参考。

麻省理工学院机械工程系尤金贝尔职业发展助理教授 Ritu Raman 表示： “既然我们知道这种肌肉-神经串扰存在，它就可以用于治疗神经损伤等疾病，即神经和肌肉之间的交流被切断。”

“也许如果我们刺激肌肉，我们就可以促进神经愈合，并恢复那些因创伤或神经退行性疾病而失去活动能力的人的活动能力。”

拉曼是这项新研究的资深作者，其他作者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，以及麻省理工学院科赫综合癌症研究所的 Vincent Butty。

肌肉话题
2023 年，拉曼和她的同事报告称，他们可以恢复遭受创伤性肌肉损伤的小鼠的活动能力，方法是首先在受伤部位植入肌肉组织，然后通过用光反复刺激新组织来锻炼它。

随着时间的推移，他们发现运动移植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物本身时，他们发现定期锻炼可以刺激移植的肌肉产生某些已知可以促进神经和血管生长的生化信号。

拉曼说：“这很有趣，因为我们一直认为神经控制肌肉，但我们不认为肌肉会回应神经。”

“因此，我们开始认为刺激肌肉会促进神经生长。人们回答说，也许确实如此，但动物体内有数百种其他细胞类型，很难证明神经生长更多是因为肌肉，而不是免疫系统或其他因素在起作用。”

在这项新研究中，研究小组着手确定锻炼肌肉是否对神经生长有直接影响，研究重点是肌肉和神经组织。研究人员将小鼠肌肉细胞培养成长纤维，然后融合形成一小片成熟的肌肉组织，大小约为 25 美分硬币。

研究团队对肌肉进行了基因改造，使其在光线照射下收缩。通过这种改造，研究团队可以反复闪烁光线，从而导致肌肉收缩，以模仿锻炼动作。

拉曼之前开发了一种新型凝胶垫，用于培养和锻炼肌肉组织。这种凝胶的特性使其能够支撑肌肉组织，并在研究人员刺激肌肉锻炼时防止其脱落。

研究小组随后收集了肌肉组织锻炼时周围溶液的样本，认为溶液中应该含有肌动蛋白，包括生长因子、RNA 和其他蛋白质的混合物。

“我认为肌动蛋白是肌肉分泌的生化物质混合物，其中一些物质可能对神经有益，而另一些物质可能与神经无关，”拉曼说。“肌肉几乎总是分泌肌动蛋白，但当你锻炼它们时，它们会产生更多。”

“运动就是良药”
研究小组将肌动蛋白溶液转移到一个单独的培养皿中，培养皿中装有运动神经元——脊髓中的神经，控制参与随意运动的肌肉。研究人员利用小鼠干细胞培养神经元。

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，研究小组观察到它们很快开始生长，比未接受生化溶液的神经元快四倍。

拉曼指出：“它们生长得更远、更快，而且效果非常立竿见影。”

为了更仔细地观察神经元如何响应运动引起的肌动蛋白而发生变化，研究小组进行了基因分析，从神经元中提取了 RNA，以查看肌动蛋白是否会诱导某些神经元基因表达的变化。

“我们发现，运动刺激的神经元中上调的许多基因不仅与神经元生长有关，还与神经元成熟、它们与肌肉和其他神经的沟通能力以及轴突的成熟程度有关，”拉曼说。“运动似乎不仅影响神经元的生长，还影响它们的成熟度和功能。”

结果表明，运动的生化效应可以促进神经元生长。研究小组想知道：运动的纯身体影响是否能带来类似的好处？

“神经元在物理上附着在肌肉上，因此它们也会随着肌肉伸展和移动，”拉曼说。“我们还想看看，即使在没有来自肌肉的生化线索的情况下，我们能否来回伸展神经元，模仿（运动的）机械力，这是否也会对生长产生影响？”

为了回答这个问题，研究人员在一块凝胶垫上培育了一组不同的运动神经元，并在其中嵌入了微型磁铁。然后他们使用外部磁铁来回摇动凝胶垫和神经元。

他们用这种方式“锻炼”这些神经元，每天 30 分钟。令他们惊讶的是，他们发现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一样，而且比没有接受任何锻炼的神经元生长得更快。

“这是一个好兆头，因为它告诉我们运动的生化效应和身体效应同等重要，”拉曼说。

现在，该研究小组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有针对性的肌肉刺激来生长和修复受损神经，并恢复患有 ALS 等神经退行性疾病的人的活动能力。

拉曼说：“这只是我们理解和控制运动疗法的第一步。” (责任编辑：泉水)

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