有规律的运动不仅能增强肌肉，还能增强骨骼、血管和免疫系统。麻省理工学院的工程师们现在发现，运动对单个神经元也有好处。研究人员观察到，当肌肉在运动过程中收缩时，它们会释放出一种叫做“肌肉因子”的生化信号。该团队的体外细胞实验发现，在这些肌肉产生的信号存在的情况下，神经元的生长速度是未暴露于肌因子的神经元的四倍。
令人惊讶的是，神经元似乎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。研究小组还观察到，当神经元被反复地前后拉伸时，就像肌肉在运动中收缩和扩张一样，神经元的生长速度和它们暴露于肌肉的肌肉因子时一样快。
综合结果表明，运动可以对神经生长产生显著的生化影响。研究人员说，虽然以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，但新报道的工作首次表明，物理效应可能同样重要。研究结果揭示了运动过程中肌肉和神经之间的联系，可以为修复受损和恶化的神经的运动相关疗法提供信息。
麻省理工学院尤金·贝尔职业发展助理教授Ritu Raman博士说：“既然我们知道这种肌肉-神经串音的存在，它可以用于治疗神经损伤等疾病，因为神经和肌肉之间的交流被切断了。也许如果我们刺激肌肉，我们可以促进神经愈合，并恢复那些因创伤性损伤或神经退行性疾病而失去活动能力的人。”
Raman是该团队在《Advanced Healthcare Materials》上发表的论文的资深作者，题为“驱动细胞外基质解耦肌肉收缩对运动神经元的机械和生化影响”。在他们的论文中，研究人员总结道：“从长远来看，通过利用现有的体内生化刺激和机械治疗工具，我们希望我们的体外学习将转化为有效的治疗策略，以保持和促进健康的活动能力。”
作者写道，在体内出现的证据表明，反复的肌肉收缩或锻炼会影响周围神经。“最近的几项研究强调了研究骨骼肌和运动神经元之间的交流的特别需要，因为这两种细胞类型共同协调所有的随意运动。”
2023年，Raman和他的同事报告说，他们可以让经历过创伤性肌肉损伤的老鼠恢复活动能力，首先在损伤部位植入肌肉组织，然后用光反复刺激新组织来锻炼它。他们发现，随着时间的推移，经过锻炼的移植物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。当研究人员对移植物本身进行分析时，他们发现，经常运动可以刺激移植物肌肉产生某些生化信号，这些信号可以促进神经和血管的生长。他们在最新发表的论文中解释说：“我们的观察证实了其他人的类似研究，即运动可能会影响神经支配，并与循环神经营养因子（如纤毛神经营养因子和脑源性神经营养因子）的上调有关。”
Raman补充说：“这很有趣，因为我们一直认为神经控制肌肉，但我们没有想到肌肉会对神经说话。所以，我们开始认为刺激肌肉可以促进神经生长。人们回答说，也许是这样，但动物体内有数百种其他细胞类型，很难证明神经的生长更多地是因为肌肉，而不是免疫系统或其他发挥作用的东西。”
正如研究小组在他们新发表的论文中进一步承认的那样，虽然这些结果表明肌肉收缩在调节运动神经元生长方面的潜在作用，但“体内运动对肌肉特异性作用的反卷积的困难促使我们在严格控制的体外环境中进行研究。”
他们说，开发有效的体外模型系统来研究肌肉收缩介导的细胞间信号传导，将使科学家能够分离肌肉收缩对运动神经元生长和发育的生化和机械影响。
通过研究报告，研究人员开始确定仅仅关注肌肉和神经组织，锻炼肌肉是否对神经生长有任何直接影响。他们解释说：“我们的目标是设计一种体外模型系统，从锻炼的肌肉中获取肌因子。”
研究人员将小鼠肌肉细胞培养成长纤维，然后融合形成一个大约四分之一硬币大小的成熟肌肉组织的小薄片。他们对肌肉进行了基因改造，使其在光线下收缩。通过这种修改，研究小组可以重复闪烁灯光，使肌肉以模仿运动行为的方式收缩。Raman之前开发了一种新型的凝胶垫，可以在上面生长和锻炼肌肉组织。这种凝胶的特性是，当研究人员刺激肌肉运动时，它可以支撑肌肉组织，防止肌肉脱落。
然后，研究小组收集了周围锻炼肌肉组织的溶液样本，推断溶液中可能含有肌肉生长因子、RNA和其他蛋白质的混合物。他们指出：“越来越多的文献（主要是动物模型）提供了令人信服的证据，表明反复的肌肉收缩会上调一系列生化因子的分泌，这些生化因子被称为“肌因子”，它们被释放到循环系统中，可以调节全身的细胞信号。”Raman补充说：“我认为肌因子是肌肉分泌的一种生化汤，其中一些可能对神经有益，而另一些可能与神经无关。肌肉几乎总是在分泌肌肉因子，但当你锻炼它们时，它们会分泌更多。”
科学家们将肌因子溶液转移到一个单独的培养皿中，培养皿中含有干细胞衍生的小鼠运动神经元——在脊髓中发现的控制参与自主运动的肌肉的神经。与肌肉组织一样，神经元在适当的凝胶垫上生长。研究小组观察到，在暴露于肌因子混合物后，神经元迅速开始生长，比没有接受生化溶液的神经元快四倍。他们指出：“运动肌肉分泌因子刺激的运动神经元显著上调神经突起的生长和迁移，其效应大小取决于肌肉收缩强度。它们长得更远更快，而且效果非常立竿见影。”
为了更仔细地观察神经元是如何对运动诱导的肌因子做出反应而发生变化的，研究小组进行了基因分析，从神经元中提取RNA，以观察肌因子是否会诱导某些神经元基因的表达发生任何变化。Raman说：“我们发现，在运动刺激的神经元中，许多基因的上调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程度以及轴突的成熟程度有关。运动似乎不仅会影响神经元的生长，还会影响它们的成熟程度和功能。”
结果表明，运动的生化效应可以促进神经元的生长。然后，研究小组想知道运动对身体的影响是否也有类似的好处。Raman说：“神经元在物理上与肌肉相连，所以它们也随着肌肉的伸展和运动。我们还想看看，即使没有来自肌肉的生化信号，我们是否可以来回拉伸神经元，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，研究人员在嵌入微小磁铁的凝胶垫上培养了一组不同的运动神经元。然后，他们使用一个外部磁铁来前后摇动垫子和神经元。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，他们发现这种机械运动刺激神经元的生长和肌因子诱导的神经元一样多，比没有接受任何形式运动的神经元生长得更远。“有趣的是，我们观察到运动神经元的动态机械刺激在5天内增加了与生化刺激相似的神经突长度和迁移面积，”他们写道。“尽管事实上运动对运动的机械影响
神经元很少被研究，据我们所知，我们的发现表明，动力对神经元的生长和迁移有重大影响。”Raman指出：“这是一个好迹象，因为它告诉我们运动的生化和物理效应同样重要。”
既然研究人员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治愈受损的神经，并为患有神经退行性疾病（如肌萎缩侧索硬化症）的人恢复活动能力。拉曼说：“这只是我们理解和控制运动作为药物的第一步。”
在他们的报告中，作者总结道：“我们的研究是揭开肌肉收缩如何通过生化和机械信号模式自下而上调节运动神经元生长和成熟的第一步。”
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