運動即藥物：科學家揭示神經修復新機制

毫無疑問，鍛煉對身體有益。規律的運動不僅能強化肌肉，還能增強骨骼、血管和免疫系統的功能。

如今，美國麻省理工學院的工程師發現，鍛煉還可以在單個神經元的層面上發揮作用。他們觀察到，當肌肉在運動中收縮時，會釋放一種被稱為肌因的生化信號“混合物”。在這些由肌肉產生的信號作用下，神經元的生長速度是未接觸肌因神經元的4倍。這些細胞水平的實驗表明，運動在促進神經生長方面具有顯著的生化效應。

令人驚訝的是，研究人員還發現，神經元不僅對運動的生化信號有反應，也會受到其物理作用的影響。研究團隊觀察到，當神經元反復受到拉伸和壓縮——類似于肌肉在運動中收縮和舒展的過程——這些神經元的生長程度與暴露于肌因時的生長程度相當。

盡管此前的研究已表明，肌肉活動與神經生長之間可能存在生化聯系，但研究人員指出，這是首個展示物理效應同樣重要的研究。相關結果已經發表在期刊上，這為鍛煉過程中肌肉和神經之間的關系提供了新的見解，并可能為修復受損或退化的神經提供相關的運動療法建議。

“現在我們知道這種肌肉與神經之間的交互作用確實存在，這對于治療神經損傷等問題非常有幫助，例如神經與肌肉的交流被切斷的情況。”麻省理工學院機械工程系尤金·貝爾職業發展助理教授拉曼表示，“或許通過刺激肌肉，我們能夠促進神經的愈合，從而幫助那些因創傷性損傷或神經退行性疾病而失去行動能力的人恢復移動能力。”

肌肉的“對話”

2023年，拉曼和她的團隊發現，通過在創傷性肌肉損傷部位植入肌肉組織，并用光反復刺激新植入的組織進行“鍛煉”，可以恢復小鼠的運動能力。隨著時間的推移，研究人員發現，這種鍛煉過的移植物幫助小鼠恢復了運動功能，其活動水平與健康小鼠相當。

研究人員對移植物進行了分析，發現規律的鍛煉會刺激移植肌肉產生某些生化信號，這些信號已知能夠促進神經和血管的生長。

“這點很有趣，因為我們通常認為神經控制肌肉，但很少想到肌肉會向神經‘回話’。”拉曼說，“于是我們開始思考，刺激肌肉是否會促進神經生長。然而，也有人質疑這一結論，認為在動物體內可能還有數百種其他類型的細胞參與，很難證明神經的生長是直接由肌肉引起的，而不是免疫系統或其他因素在起作用。”

在這項新研究中，團隊旨在確定鍛煉肌肉是否直接影響神經生長。他們將研究范圍集中在肌肉和神經組織本身。研究人員先將小鼠肌肉細胞培養成細長的纖維，這些纖維隨后融合成一片約有硬幣大小的成熟肌肉組織。

團隊對這些肌肉組織進行了基因改造，使其能夠對光產生收縮反應。這種改造讓研究人員通過反復閃光刺激肌肉收縮，從而模擬鍛煉的過程。拉曼此前開發了一種創新的凝膠墊，可以用于培養和鍛煉肌肉組織。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周圍溶液的樣本，推測這些溶液中應含有肌因，包括生長因子、RNA以及其他蛋白質的混合物。

“我將肌因視為肌肉分泌的一種‘生化濃湯’，其中一些成分對神經有益，而其他成分可能與神經無關。”拉曼解釋道，“肌肉幾乎一直在分泌肌因，但當你鍛煉時，它們的分泌量會增加。”

團隊將肌因溶液轉移到一個裝有運動神經元的獨立培養皿中。這些神經元來自控制自愿運動的脊髓神經，由小鼠干細胞培養而成。與肌肉組織一樣，這些神經元也在類似的凝膠墊上生長。在接觸到肌因混合物后，研究團隊觀察到神經元快速生長，其速度是未接觸生化溶液神經元的4倍。

“它們生長得更遠、更快，且效果幾乎是立竿見影的。”拉曼指出。

為深入了解神經元如何對運動誘導的肌因作出反應，研究團隊進行了基因分析，從神經元中提取RNA以檢測肌因是否引起了某些神經元基因表達的變化。

“我們發現，運動刺激的神經元中許多上調的基因不僅與神經元生長有關，還涉及神經元的成熟度、與肌肉和其他神經的通信能力，以及軸突的成熟程度。”拉曼說，“運動似乎不僅影響神經元的生長，還對它們的成熟度和功能性產生影響。”

這些結果表明，運動的生化效應能夠促進神經元生長。接著，研究團隊思考：運動的純粹物理效應是否也會產生類似的益處？

“神經元物理上附著在肌肉上，因此它們隨著肌肉的運動而伸展和移動。”拉曼表示，“我們還想知道，即使沒有來自肌肉的生化信號，是否可以通過拉伸神經元，模擬運動的機械力，從而對神經元的生長產生影響。”

為此，研究人員將另一組運動神經元培養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元來回震動。通過這種方式，他們每天“鍛煉”神經元30分鐘。令他們驚訝的是，這種機械運動同樣刺激了神經元的生長，其生長程度與受到肌因作用的神經元相當，遠遠超過未受任何形式鍛煉的神經元。“這是一個好跡象，表明運動的生化和物理效應同樣重要。”拉曼說道。

在證明鍛煉肌肉能夠在細胞水平上促進神經生長后，團隊計劃研究如何利用針對性的肌肉刺激來促進受損神經的生長和修復，從而幫助患有ALS等神經退行性疾病的人恢復行動能力。

“這只是我們理解和控制‘運動即藥物’的第一步。”拉曼表示。