锻炼在神经元层面上带来了优势，研究结果显示其具有显著的化学和机械效应。这可能会塑造以锻炼为基础的疗法的未来，旨在修复受损或退化的神经。
广泛认为锻炼对身体有益。持续的体育活动不仅能增强肌肉，还能提升骨骼强度，改善血液循环，增强免疫系统。
最近，麻省理工学院的工程师发现锻炼还可以积极影响单个神经元。他们发现，当肌肉在体育活动中收缩时，会释放一种称为肌肉因子的生化信号混合物。接触到这些肌肉衍生信号的神经元，其生长速度比未受肌肉因子影响的神经元快四倍。这项细胞研究表明，锻炼可能对神经生长产生深远的生化影响。
有趣的是，研究人员注意到神经元对生化信号和锻炼的物理力量都有反应。他们发现，当神经元重复被拉伸时，类似于锻炼时肌肉的收缩和放松，这些神经元的生长速度与那些受肌肉因子影响的神经元一样。
尽管早期研究暗示肌肉活动与神经生长之间存在生化联系，但据研究人员称，这项研究首次表明物理因素同样重要。研究结果即将在《先进医疗材料》期刊上发表，阐明了在体育活动中肌肉和神经之间的关系，并可能指导旨在修复受损或虚弱神经的疗法。
“随着肌肉与神经相互作用的发现，治疗神经损伤等问题的潜力出现了，神经与肌肉之间的通信被破坏，”麻省理工学院机械工程助理教授Ritu Raman解释道。“通过刺激肌肉，我们可能会促进神经愈合，帮助那些因创伤性损伤或神经退行性疾病失去运动能力的人。”
作为研究的主要作者，Raman与麻省理工学院机械工程系的成员Angel Bu、Ferdows Afghah、Nicolas Castro、Maheera Bawa、Sonika Kohli、Karina Shah 和Brandon Rios，以及来自科赫综合癌症研究所的Vincent Butty合作。
肌肉通信
在2023年，Raman及其团队证明他们可以通过首先在损伤部位植入肌肉组织，然后通过光刺激激活新的组织，帮助恢复严重肌肉损伤的小鼠的运动能力。这种方法使其运动功能得以恢复，达到与健康小鼠相似的活动水平。
在检查移植的肌肉时，他们注意到定期锻炼促使肌肉产生特定的生化信号，这些信号已知能够刺激神经和血管的生长。
“这很令人着迷，因为我们常常假设神经只是负责控制肌肉，而没有考虑到肌肉也可以向神经发送信号，”Raman表示。“这使我们推测肌肉刺激可能促进神经生长。然而，其他多种细胞类型存在，证明神经生长源于肌肉，而非免疫系统或其他因素，可能会非常具有挑战性。”
在他们最新的研究中，该团队旨在调查锻炼肌肉对神经生长的直接影响，专注于肌肉和神经组织。他们将小鼠肌肉细胞培养成长纤维，组合形成一小块大约一枚硬币大小的成熟肌肉组织。
研究人员对肌肉进行了基因工程，以便其对光作出收缩反应。通过反复闪烁光线在肌肉上，他们可以模拟锻炼。Raman此前设计了一个独特的凝胶垫，支持并锻炼肌肉组织，而不会在刺激过程中脱落。
然后，他们从锻炼肌肉运动的周围溶液中收集样本，期望其中含有肌肉因子以及生长因子、RNA和各种蛋白质。
“你可以把肌肉因子看作肌肉分泌的一种生化混合物，其中一些可能对神经有益，而另一些可能对神经毫无影响，”Raman解释说。“肌肉持续分泌肌肉因子，但在锻炼期间产生的数量更高。”
“锻炼作为治疗工具”
研究人员将富含肌肉因子的溶液转移到另一个培养皿中，包含运动神经元——位于脊髓中的神经，控制自愿肌肉运动。这些神经元来源于小鼠干细胞，同样生长在相似的凝胶垫上。在接触这种肌肉因子混合物后，神经元迅速开始生长，生长速度比未接触生化溶液的神经元快三倍。
“生长速度显著更快，距离也更远，而且效果几乎是立竿见影的，”Raman指出。
为了进一步了解神经元如何对锻炼产生的肌肉因子做出反应，团队进行了基因分析，从神经元中提取RNA，以确定肌肉因子是否引起特定神经基因表达的变化。
“我们发现，锻炼刺激的神经元中活化的许多基因不仅与生长相关，还与神经的成熟、与肌肉及其他神经的沟通能力，以及成熟轴突的发育有关，”Raman表示。“锻炼似乎不仅影响神经的生长，还影响其成熟和功能。”
这些结果表明，锻炼的生化效应可以帮助神经生长。团队随后探讨了单纯的身体运动是否也能带来类似的增强效果。
“神经在物理上与肌肉相连，因此随着肌肉的运动，它们会伸展和反应，”Raman指出。“我们想看看，机械性地来回拉伸神经元——模拟锻炼——是否可以刺激其生长，即使没有来自肌肉的生化信号。”
为了测试这一点，研究人员将另一组运动神经元放置在一个嵌入微小磁铁的凝胶垫上。通过使用外部磁铁，他们使垫子和神经元来回振动，有效地“锻炼”神经元每天30分钟。令人惊讶的是，他们发现这种机械活动刺激了神经的生长，达到与肌肉因子治疗所诱导的生长相媲美的水平，且与未锻炼神经元相比，生长显著。
“这是一个令人鼓舞的发现，因为它表明锻炼的生化和机械效应同样重要，”Raman指出。
在确认锻炼肌肉可以促进神经在细胞水平的生长后，团队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的神经，最终恢复因神经退行性疾病如ALS而受影响的个人的运动能力。
“这只是我们朝着实现和利用锻炼作为一种药物方向迈出的第一步，”Raman总结道。
