Zusammenfassung: Chemische Signale, die von Muskeln während des Trainings freigesetzt werden, fördern die neurale Entwicklung im Gehirn, berichten Forscher.
Quelle: Beckmann Institut
Körperliche Aktivität wird häufig als Mittel zur Verbesserung der körperlichen und geistigen Gesundheit genannt. Forscher des Beckman Institute for Advanced Science and Technology haben gezeigt, dass es die Gesundheit des Gehirns auch direkter verbessern kann.
Sie untersuchten, wie die von trainierten Muskeln freigesetzten chemischen Signale die neuronale Entwicklung im Gehirn fördern.
Ihre Arbeit erscheint in der Zeitschrift Neurowissenschaft.
Wenn sich Muskeln während des Trainings zusammenziehen, wie der Bizeps beim Heben eines schweren Gewichts, setzen sie eine Vielzahl von Verbindungen in den Blutkreislauf frei. Diese Verbindungen können in verschiedene Teile des Körpers gelangen, einschließlich des Gehirns. Die Forscher interessierten sich besonders dafür, wie Bewegung einem bestimmten Teil des Gehirns, dem Hippocampus, zugute kommen könnte.
„Der Hippocampus ist ein entscheidender Bereich für Lernen und Gedächtnis und damit für die kognitive Gesundheit“, sagte Ki Yun Lee, Ph.D. Student in Mechanical Science and Engineering an der University of Illinois Urbana-Champaign und Hauptautor der Studie. Das Verständnis, wie Bewegung dem Hippocampus zugute kommt, könnte daher zu übungsbasierten Behandlungen für eine Vielzahl von Erkrankungen, einschließlich der Alzheimer-Krankheit, führen.
Um die Chemikalien zu isolieren, die durch Muskelkontraktionen freigesetzt werden, und sie an Hippocampus-Neuronen zu testen, sammelten die Forscher kleine Muskelzellproben von Mäusen und züchteten sie im Labor in Zellkulturschalen. Als die Muskelzellen heranreiften, begannen sie sich von selbst zusammenzuziehen und gaben ihre chemischen Signale an die Zellkultur ab.
Das Forschungsteam fügte die Kultur, die nun die chemischen Signale der reifen Muskelzellen enthielt, einer anderen Kultur hinzu, die Hippocampus-Neuronen und andere Stützzellen, die als Astrozyten bekannt sind, enthielt.
Unter Verwendung mehrerer Maßnahmen, darunter Immunfluoreszenz- und Kalziumbildgebung zur Verfolgung des Zellwachstums und Mehrfachelektrodenarrays zur Aufzeichnung der elektrischen Aktivität von Neuronen, untersuchten sie, wie sich die Exposition gegenüber diesen chemischen Signalen auf die Hippocampuszellen auswirkte.
Die Ergebnisse waren beeindruckend. Die Exposition gegenüber den chemischen Signalen kontrahierender Muskelzellen führte dazu, dass Hippocampus-Neuronen größere und häufigere elektrische Signale erzeugten – ein Zeichen für robustes Wachstum und Gesundheit. Innerhalb weniger Tage begannen die Neuronen, diese elektrischen Signale synchroner abzufeuern, was darauf hindeutet, dass die Neuronen zusammen ein ausgereifteres Netzwerk bildeten und die Organisation von Neuronen im Gehirn nachahmten.
Die Forscher hatten jedoch noch Fragen darüber, wie diese chemischen Signale zum Wachstum und zur Entwicklung von Hippocampus-Neuronen führten. Um mehr über den Weg aufzudecken, der Bewegung mit besserer Gehirngesundheit verbindet, konzentrierten sie sich als nächstes auf die Rolle von Astrozyten bei der Vermittlung dieser Beziehung.
„Astrozyten sind die Ersthelfer im Gehirn, bevor die Verbindungen aus den Muskeln die Neuronen erreichen“, sagte Lee. Vielleicht spielten sie also eine Rolle dabei, Neuronen zu helfen, auf diese Signale zu reagieren.
Die Forscher fanden heraus, dass das Entfernen von Astrozyten aus den Zellkulturen dazu führte, dass die Neuronen noch mehr elektrische Signale abfeuerten, was darauf hindeutet, dass die Neuronen ohne die Astrozyten weiter wuchsen – vielleicht bis zu einem Punkt, an dem sie nicht mehr handhabbar werden könnten.
“Astrozyten spielen eine entscheidende Rolle bei der Vermittlung der Auswirkungen von Bewegung”, sagte Lee. „Durch die Regulierung der neuronalen Aktivität und die Verhinderung der Übererregbarkeit von Neuronen tragen Astrozyten zum Gleichgewicht bei, das für eine optimale Gehirnfunktion erforderlich ist.“
Das Verständnis des chemischen Weges zwischen der Muskelkontraktion und dem Wachstum und der Regulation von Hippocampus-Neuronen ist nur der erste Schritt, um zu verstehen, wie Bewegung zur Verbesserung der Gehirngesundheit beiträgt.
„Letztendlich kann unsere Forschung zur Entwicklung effektiverer Trainingsprogramme für kognitive Störungen wie die Alzheimer-Krankheit beitragen“, sagte Lee.
Neben Lee gehörten zum Team auch die Beckman-Fakultätsmitglieder Justin Rhodes, ein Professor für Psychologie; und Taher Saif, Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen.
Über diese Neuigkeiten aus der Neurowissenschaft und der Bewegungsforschung
Autor: Melinh Lai
Quelle: Beckmann Institut
Kontakt: Melinh Lai – Beeckman-Institut
Bild: Das Bild ist gemeinfrei
Ursprüngliche Forschung: Geschlossener Zugang.
„Astrozyten-vermittelte Transduktion von Muskelfaserkontraktionen synchronisiert die Entwicklung neuronaler Netzwerke im Hippocampus“ von Ki Yun Lee et al. Neurowissenschaft
Abstrakt
Die Astrozyten-vermittelte Transduktion von Muskelfaserkontraktionen synchronisiert die Entwicklung des neuronalen Netzwerks im Hippocampus
Übung unterstützt die Gesundheit des Gehirns teilweise durch die Verbesserung der Hippocampus-Funktion. Die führende Hypothese ist, dass Muskeln Faktoren freisetzen, wenn sie sich zusammenziehen (z. B. Laktat, Myokine, Wachstumsfaktoren), die in den Kreislauf gelangen und das Gehirn erreichen, wo sie die Plastizität erhöhen (z. B. die Neurogenese und Synaptogenese erhöhen). Es bleibt jedoch unbekannt, wie die Muskelsignale von den Hippocampuszellen weitergeleitet werden, um die Netzwerkaktivität und die synaptische Entwicklung zu modulieren.
Daher haben wir eine etabliert in-vitro Modell, bei dem das Medium aus kontrahierenden primären Muskelzellen (CM) zur Entwicklung primärer Hippocampus-Zellkulturen auf einem Mikroelektrodenarray angewendet wird.
Wir fanden heraus, dass das hippocampale neuronale Netzwerk schneller reift (wie durch Synapsenentwicklung und synchrone neuronale Aktivität angezeigt wird), wenn es CM ausgesetzt wird, als normale Medien (RM).
Begleitet wurde dies von einer 4,4- bzw. 1,4-fachen Steigerung der Proliferation von Astrozyten bzw. Neuronen. Darüber hinaus haben Experimente festgestellt, dass von Astrozyten freigesetzte Faktoren die durch Muskelmedien induzierte neuronale Übererregbarkeit hemmen und die Netzwerkentwicklung erleichtern.
Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse darüber, wie Bewegung die Funktion des Hippocampus unterstützen kann, indem sie die Astrozytenproliferation und die anschließende Zähmung der neuronalen Aktivität in ein integriertes Netzwerk reguliert.