L'esercizio stimola la crescita dei nervi attraverso l'impatto biochimico e fisico

Sommario: I ricercatori hanno scoperto che l'esercizio fisico promuove la crescita dei neuroni sia attraverso segnali biochimici (miochine) che attraverso lo stretching fisico. Le cellule muscolari, quando contratte, rilasciano miochine che aumentano la crescita e la maturità dei neuroni. Inoltre, i neuroni che sono stati "esercitati" attraverso il movimento meccanico sono cresciuti tanto quanto quelli esposti alle miochine.
Questi risultati rivelano il duplice ruolo dell'esercizio fisico nella stimolazione dei nervi, offrendo speranza per lo sviluppo di terapie mirate alla riparazione dei nervi e alle malattie neurodegenerative. Questa ricerca apre nuove strade nel trattamento del danno ai nervi attraverso "l'esercizio fisico come medicina".
Fatti chiave:

• L'esercizio rilascia segnali generati dai muscoli, promuovendo la crescita dei neuroni.
• Anche lo stretching meccanico dei neuroni da solo aumenta significativamente la loro crescita.
• Sia gli effetti biochimici che quelli dell'esercizio fisico sono vitali per la salute dei neuroni.

Fonte: MIT
Non c'è dubbio che l'esercizio fisico faccia bene al corpo. L'attività regolare non solo rafforza i muscoli, ma può rafforzare le ossa, i vasi sanguigni e il sistema immunitario.
Ora, gli ingegneri del MIT hanno scoperto che l'esercizio fisico può avere benefici anche a livello dei singoli neuroni. Hanno osservato che quando i muscoli si contraggono durante l'esercizio, rilasciano una zuppa di segnali biochimici chiamati miochine.

Sorprendentemente, i ricercatori hanno anche scoperto che i neuroni rispondono non solo ai segnali biochimici dell'esercizio, ma anche ai suoi impatti fisici. Credito: Neuroscience News

In presenza di questi segnali generati dai muscoli, i neuroni sono cresciuti quattro volte di più rispetto ai neuroni che non sono stati esposti alle miochine. Questi esperimenti a livello cellulare suggeriscono che l'esercizio fisico può avere un effetto biochimico significativo sulla crescita dei nervi.
Sorprendentemente, i ricercatori hanno anche scoperto che i neuroni rispondono non solo ai segnali biochimici dell'esercizio, ma anche ai suoi impatti fisici.
Il team ha osservato che quando i neuroni vengono ripetutamente tirati avanti e indietro, in modo simile a come i muscoli si contraggono e si espandono durante l'esercizio, i neuroni crescono tanto quanto quando sono esposti alle miochine di un muscolo.
Mentre studi precedenti hanno indicato un potenziale legame biochimico tra l'attività muscolare e la crescita dei nervi, questo studio è il primo a dimostrare che gli effetti fisici possono essere altrettanto importanti, dicono i ricercatori.
I risultati, che saranno pubblicati sulla rivista Advanced Healthcare Materials, fanno luce sulla connessione tra muscoli e nervi durante l'esercizio fisico e potrebbero informare le terapie legate all'esercizio fisico per riparare i nervi danneggiati e deteriorati.
"Ora che sappiamo che esiste questo crosstalk muscolo-nervo, può essere utile per trattare cose come le lesioni nervose, in cui la comunicazione tra nervo e muscolo è interrotta", afferma Ritu Raman, Eugene Bell Career Development Assistant Professor di Ingegneria Meccanica al MIT.
"Forse se stimolassimo il muscolo, potremmo incoraggiare il nervo a guarire e ripristinare la mobilità a coloro che lo hanno perso a causa di lesioni traumatiche o malattie neurodegenerative".


Raman è l'autore senior del nuovo studio, che include Angel Bu, Ferdows Afghah, Nicolas Castro, Maheera Bawa, Sonika Kohli, Karina Shah e Brandon Rios del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT e Vincent Butty del Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT.
Parlare con i muscoli
Nel 2023, Raman e i suoi colleghi hanno riferito di poter ripristinare la mobilità nei topi che avevano subito una lesione muscolare traumatica, impiantando prima il tessuto muscolare nel sito della lesione, quindi esercitando il nuovo tessuto stimolandolo ripetutamente con la luce.
Nel corso del tempo, hanno scoperto che l'innesto esercitato ha aiutato i topi a ritrovare la loro funzione motoria, raggiungendo livelli di attività paragonabili a quelli dei topi sani.
Quando i ricercatori hanno analizzato l'innesto stesso, è emerso che l'esercizio fisico regolare stimolava il muscolo innestato a produrre alcuni segnali biochimici che sono noti per promuovere la crescita dei nervi e dei vasi sanguigni.
"È stato interessante perché pensiamo sempre che i nervi controllino i muscoli, ma non pensiamo ai muscoli che rispondono ai nervi", dice Raman.
"Quindi, abbiamo iniziato a pensare che la stimolazione muscolare incoraggiasse la crescita dei nervi. E la gente ha risposto che forse è così, ma ci sono centinaia di altri tipi di cellule in un animale, ed è davvero difficile dimostrare che il nervo stia crescendo di più a causa del muscolo, piuttosto che del sistema immunitario o di qualcos'altro che gioca un ruolo".

Nel loro nuovo studio, il team ha deciso di determinare se l'esercizio dei muscoli ha un effetto diretto sulla crescita dei nervi, concentrandosi esclusivamente sui muscoli e sul tessuto nervoso. I ricercatori hanno coltivato cellule muscolari di topo in lunghe fibre che poi si sono fuse per formare un piccolo foglio di tessuto muscolare maturo delle dimensioni di un quarto.
Il team ha modificato geneticamente il muscolo in modo che si contragga in risposta alla luce. Con questa modifica, il team poteva far lampeggiare una luce ripetutamente, provocando la compressione del muscolo in risposta, in un modo che imitava l'atto dell'esercizio.
Raman ha precedentemente sviluppato un nuovo tappetino in gel su cui far crescere ed esercitare il tessuto muscolare. Le proprietà del gel sono tali da poter sostenere il tessuto muscolare e impedirne il distacco mentre i ricercatori stimolano il muscolo all'esercizio.
Il team ha quindi raccolto campioni della soluzione circostante in cui è stato esercitato il tessuto muscolare, pensando che la soluzione dovesse contenere miochine, inclusi fattori di crescita, RNA e un mix di altre proteine.
"Penserei alle miochine come a una zuppa biochimica di cose che i muscoli secernono, alcune delle quali potrebbero essere buone per i nervi e altre che potrebbero non avere nulla a che fare con i nervi", dice Raman.
"I muscoli secernono praticamente sempre miochine, ma quando li eserciti, ne producono di più".

"L'esercizio fisico come medicina"
Il team ha trasferito la soluzione di miochina in un piatto separato contenente motoneuroni, nervi che si trovano nel midollo spinale che controllano i muscoli coinvolti nel movimento volontario. I ricercatori hanno fatto crescere i neuroni da cellule staminali derivate da topi. Come per il tessuto muscolare, i neuroni sono stati cresciuti su un tappetino di gel simile.
Dopo che i neuroni sono stati esposti alla miscela di miochina, il team ha osservato che hanno iniziato rapidamente a crescere, quattro volte più velocemente dei neuroni che non hanno ricevuto la soluzione biochimica.
"Crescono molto più lontano e più velocemente, e l'effetto è piuttosto immediato", osserva Raman.
Per uno sguardo più da vicino a come i neuroni sono cambiati in risposta alle miochine indotte dall'esercizio, il team ha eseguito un'analisi genetica, estraendo l'RNA dai neuroni per vedere se le miochine inducevano un cambiamento nell'espressione di alcuni geni neuronali.
"Abbiamo visto che molti dei geni sovraregolati nei neuroni stimolati dall'esercizio fisico non erano solo correlati alla crescita dei neuroni, ma anche alla maturazione dei neuroni, al modo in cui parlano con i muscoli e gli altri nervi e alla maturità degli assoni", dice Raman.
"L'esercizio fisico sembra avere un impatto non solo sulla crescita dei neuroni, ma anche su quanto siano maturi e ben funzionanti".
I risultati suggeriscono che gli effetti biochimici dell'esercizio fisico possono promuovere la crescita dei neuroni. Poi il gruppo si è chiesto: gli impatti puramente fisici dell'esercizio potrebbero avere un beneficio simile?

"I neuroni sono fisicamente attaccati ai muscoli, quindi si allungano e si muovono con il muscolo", dice Raman.
"Volevamo anche vedere, anche in assenza di segnali biochimici dai muscoli, se potevamo allungare i neuroni avanti e indietro, imitando le forze meccaniche (dell'esercizio), e questo poteva avere un impatto anche sulla crescita?"
Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno sviluppato un diverso insieme di motoneuroni su un tappetino di gel che hanno incorporato con minuscoli magneti. Hanno quindi usato un magnete esterno per muovere il tappetino – e i neuroni avanti e indietro. In questo modo, hanno "esercitato" i neuroni, per 30 minuti al giorno.
Con loro sorpresa, hanno scoperto che questo esercizio meccanico stimolava i neuroni a crescere tanto quanto i neuroni indotti dalla miochina, crescendo significativamente più lontano dei neuroni che non ricevevano alcuna forma di esercizio.
"Questo è un buon segno perché ci dice che sia gli effetti biochimici che quelli fisici dell'esercizio sono ugualmente importanti", dice Raman.
Ora che il gruppo ha dimostrato che l'esercizio muscolare può promuovere la crescita dei nervi a livello cellulare, hanno in programma di studiare come la stimolazione muscolare mirata possa essere utilizzata per far crescere e guarire i nervi danneggiati e ripristinare la mobilità per le persone che vivono con una malattia neurodegenerativa come la SLA.
"Questo è solo il nostro primo passo verso la comprensione e il controllo dell'esercizio fisico come medicina", afferma Raman.

Informazioni su questo esercizio e notizie sulla ricerca neuroscientificaAutore: Abby Abazorius
Fonte: MIT
Contatto: Abby Abazorius – MIT
Immagine: L'immagine è accreditata a Neuroscience News
Ricerca originale: Accesso libero.
"L'attuazione di matrici extracellulari disaccoppia gli effetti meccanici e biochimici della contrazione muscolare sui motoneuroni" di Ritu Raman et al. Materiali sanitari avanzati
Abtracs
L'attuazione di matrici extracellulari disaccoppia gli effetti meccanici e biochimici della contrazione muscolare sui motoneuroni
Prove emergenti in vivo suggeriscono che la contrazione muscolare ripetuta, o esercizio, influisce sui nervi periferici.
Tuttavia, la difficoltà di isolare l'impatto muscolo-specifico sui motoneuroni in vivo, così come l'incapacità di disaccoppiare gli impatti biochimici e meccanici della contrazione muscolare in questo contesto, motiva lo studio di questo fenomeno in vitro.

Questo studio dimostra che la regolazione delle proprietà meccaniche della fibrina consente la coltura longitudinale di monostrati muscolari scheletrici altamente contrattili, consentendo la caratterizzazione funzionale e la raccolta di secretomi a lungo termine da tessuti esercitati.
I motoneuroni stimolati con fattori muscolo-secreti esercitati sovraregolano significativamente la crescita e la migrazione dei neuriti, con una dimensione dell'effetto che dipende dall'intensità della contrazione muscolare.
L'attivazione di microparticelle magnetiche incorporate all'interno di idrogel di fibrina consente di allungare dinamicamente i motoneuroni e di imitare in modo non invasivo gli effetti meccanici della contrazione muscolare.
È interessante notare che l'assonogenesi è similmente sovraregolata sia nei motoneuroni stimolati meccanicamente che biochimicamente, ma il sequenziamento dell'RNA rivela diverse firme trascrittomiche tra i gruppi, con la stimolazione biochimica che ha un impatto maggiore sulla segnalazione cellulare correlata all'assonogenesi e alla maturazione delle sinapsi.
Questo studio sfrutta l'attuazione di matrici extracellulari per convalidare in modo robusto un ruolo precedentemente ipotizzato per la contrazione muscolare nella regolazione della crescita e della maturazione dei motoneuroni dal basso verso l'alto attraverso la segnalazione meccanica e biochimica.