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毫无疑问，锻炼对身体有益。规律的运动不仅能强化肌肉，还能增强骨骼、血管和免疫系统的功能。
如今，MIT 的工程师发现，锻炼还可以在单个神经元的层面上发挥作用。他们观察到，当肌肉在运动中收缩时，会释放一种被称为肌因（myokines）的生化信号“混合物”。在这些由肌肉产生的信号作用下，神经元的生长速度是未接触肌因神经元的四倍。这些细胞水平的实验表明，运动在促进神经生长方面具有显著的生化效应。
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，也会受到其物理作用的影响。研究团队观察到，当神经元反复受到拉伸和压缩——类似于肌肉在运动中收缩和舒展的过程——这些神经元的生长程度与暴露于肌因时的生长程度相当。
尽管此前的研究已表明，肌肉活动与神经生长之间可能存在生化联系，但研究人员指出，这是首个展示物理效应同样重要的研究。相关结果已经发表在 Advanced Healthcare Materials 期刊上，这为锻炼过程中肌肉和神经之间的关系提供了新的见解，并可能为修复受损或退化的神经提供相关的运动疗法建议。
“现在我们知道这种肌肉与神经之间的交互作用确实存在，这对于治疗神经损伤等问题非常有帮助，例如神经与肌肉的交流被切断的情况。”MIT 机械工程系尤金·贝尔职业发展助理教授 Ritu Raman 表示，“或许通过刺激肌肉，我们能够促进神经的愈合，从而帮助那些因创伤性损伤或神经退行性疾病而失去行动能力的人恢复移动能力。”
Raman 是这项新研究的资深作者，参与研究的还有 MIT 机械工程系的 Angel Bu、Ferdows Afghah、Nicolas Castro、Maheera Bawa、Sonika Kohli、Karina Shah 和 Brandon Rios，以及 MIT 科赫综合癌症研究所的 Vincent Butty。
肌肉的“对话”
2023 年，Ritu Raman 和她的团队发现，通过在创伤性肌肉损伤部位植入肌肉组织，并用光反复刺激新植入的组织进行“锻炼”，可以恢复小鼠的运动能力。随着时间的推移，研究人员发现，这种锻炼过的移植物帮助小鼠恢复了运动功能，其活动水平与健康小鼠相当。
研究人员对移植物进行了分析，发现规律的锻炼会刺激移植肌肉产生某些生化信号，这些信号已知能够促进神经和血管的生长。
“这点很有趣，因为我们通常认为神经控制肌肉，但很少想到肌肉会向神经‘回话’。”Raman 说，“于是我们开始思考，刺激肌肉是否会促进神经生长。然而，也有人质疑这一结论，认为在动物体内可能还有数百种其他类型的细胞参与，很难证明神经的生长是直接由肌肉引起的，而不是免疫系统或其他因素在起作用。”
在这项新研究中，团队旨在确定锻炼肌肉是否直接影响神经生长。他们将研究范围集中在肌肉和神经组织本身。研究人员先将小鼠肌肉细胞培养成细长的纤维，这些纤维随后融合成一片约有硬币大小的成熟肌肉组织。
团队对这些肌肉组织进行了基因改造，使其能够对光产生收缩反应。这种改造让研究人员通过反复闪光刺激肌肉收缩，从而模拟锻炼的过程。Raman 此前开发了一种创新的凝胶垫，可以用于培养和锻炼肌肉组织。这种凝胶材料具有支撑肌肉组织的特性，同时在锻炼过程中防止肌肉组织脱落。
随后，研究人员收集了肌肉锻炼时周围溶液的样本，推测这些溶液中应含有肌因，包括生长因子、RNA 以及其他蛋白质的混合物。
“我将肌因视为肌肉分泌的一种‘生化浓汤’，其中一些成分对神经有益，而其他成分可能与神经无关。”Raman 解释道，“肌肉几乎一直在分泌肌因，但当你锻炼时，它们的分泌量会增加。”
“运动即药物”
团队将肌因溶液转移到一个装有运动神经元的独立培养皿中。这些神经元来自控制自愿运动的脊髓神经，由小鼠干细胞培养而成。与肌肉组织一样，这些神经元也在类似的凝胶垫上生长。在接触到肌因混合物后，研究团队观察到神经元快速生长，其速度是未接触生化溶液神经元的四倍。
来源：MIT News | MIT 科学家发现运动相关生化与机械信号显著促进运动神经元在 5 天内生长。研究表明，运动过程中产生的生化与机械信号显著增强了运动神经元的生长速度。绿色球体代表神经元簇，它们向外延伸长尾状的轴突。图片由 Angel Bu 提供
“它们生长得更远、更快，且效果几乎是立竿见影的。”Raman 指出。
为深入了解神经元如何对运动诱导的肌因作出反应，研究团队进行了基因分析，从神经元中提取 RNA 以检测肌因是否引起了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许多上调的基因不仅与神经元生长有关，还涉及神经元的成熟度、与肌肉和其他神经的通信能力，以及轴突的成熟程度。”Raman 说，“运动似乎不仅影响神经元的生长，还对它们的成熟度和功能性产生影响。”
这些结果表明，运动的生化效应能够促进神经元生长。接着，研究团队思考：运动的纯粹物理效应是否也会产生类似的益处？
“神经元物理上附着在肌肉上，因此它们随着肌肉的运动而伸展和移动。”Raman 表示，“我们还想知道，即使没有来自肌肉的生化信号，是否可以通过拉伸神经元，模拟运动的机械力，从而对神经元的生长产生影响。”
为此，研究人员将另一组运动神经元培养在嵌入了微型磁体的凝胶垫上，然后使用外部磁体使凝胶垫和神经元来回震动。通过这种方式，他们每天“锻炼”神经元 30 分钟。令他们惊讶的是，这种机械运动同样刺激了神经元的生长，其生长程度与受到肌因作用的神经元相当，远远超过未受任何形式锻炼的神经元。“这是一个好迹象，表明运动的生化和物理效应同样重要。”Raman 说道。
在证明锻炼肌肉能够在细胞水平上促进神经生长后，团队计划研究如何利用针对性的肌肉刺激来促进受损神经的生长和修复，从而帮助患有ALS等神经退行性疾病的人恢复行动能力。
“这只是我们理解和控制‘运动即药物‘的第一步。”Raman 表示。
原文链接：
https://news.mit.edu/2024/when-muscles-work-out-they-help-neurons-grow-1112