Las señales químicas de los músculos que se contraen pueden influir en el crecimiento de las redes cerebrales, según una nueva investigación publicada en neurociencia. El estudio destaca la importancia de la actividad física para la salud mental, y los hallazgos también podrían ayudar a contribuir al desarrollo de tratamientos más efectivos para los trastornos cognitivos como la enfermedad de Alzheimer.
Estudios anteriores han demostrado que el ejercicio tiene beneficios significativos para la salud cognitiva, incluso cuando se inicia en etapas tardías de la vida. El ejercicio se ha asociado con cambios a largo plazo en el hipocampo, una región del cerebro crucial para el aprendizaje y la memoria, incluido el aumento de la neurogénesis, la sinaptogénesis y el aumento del volumen.
Sin embargo, los mecanismos específicos a través de los cuales el ejercicio produce estos cambios en el hipocampo no se entendieron bien. Al descubrir estos mecanismos, los autores del nuevo estudio tienen como objetivo desarrollar tratamientos basados en el ejercicio para las patologías cognitivas que afectan al hipocampo, como la enfermedad de Alzheimer, el estrés, la depresión, la ansiedad y el envejecimiento normal.
«Al principio me atrajo este tema debido a mi fascinación por las complejidades del cerebro y la mente humanos», explicó el autor del estudio Ki Yun Lee, candidato a doctorado en el Departamento de Ciencias Mecánicas e Ingeniería de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. .
«El hecho de que muchos principios con los que me encuentro con regularidad, como los del aprendizaje automático y el aprendizaje profundo, se originen en el extraordinario funcionamiento del cerebro despertó aún más mi interés. Con porciones sustanciales del cerebro aún sin explorar, estaba ansioso por profundizar en sus complejidades y obtener información mediante la ingeniería inversa de sus procesos”.
«Específicamente, quería comprender la naturaleza interactiva del cerebro con el entorno durante los períodos de actividad. En consecuencia, estudiar los efectos del ejercicio en el cerebro se convirtió en un cautivador punto de partida en mi viaje para desentrañar los misterios del cerebro y la mente.
Para investigar las interacciones entre las células musculares que se contraen y las células del hipocampo, los investigadores utilizaron un in vitro acercarse. Aislaron células musculares de ratones y las cultivaron en el laboratorio. Cuando estas células musculares maduraron, comenzaron a contraerse espontáneamente, liberando compuestos en el medio de cultivo. Los investigadores recolectaron los medios acondicionados que contenían estos compuestos y los aplicaron a cultivos primarios de células del hipocampo, que incluían neuronas y astrocitos.
Los astrocitos son un tipo de célula glial, que son células no neuronales que brindan soporte y funcionalidad a las neuronas en el cerebro y la médula espinal. Los astrocitos son el tipo más abundante de células gliales en el sistema nervioso central.
El estudio tuvo como objetivo determinar si los medios acondicionados de las células musculares en contracción influyeron en la función y maduración de las redes neuronales del hipocampo. Además, los investigadores querían investigar el papel de los astrocitos en la transmisión de las señales de las contracciones musculares a la actividad de las redes neuronales del hipocampo.
Los investigadores emplearon varias técnicas, como imágenes inmunofluorescentes y de calcio para evaluar el crecimiento celular y conjuntos de electrodos múltiples para registrar la actividad eléctrica neuronal, para examinar los efectos de las señales químicas en las células del hipocampo.
Los hallazgos del estudio sugieren que las contracciones musculares liberan factores que pueden influir directamente en las células del hipocampo involucradas en la cognición. Lee y sus colegas observaron que la exposición a estas señales químicas resultó en una maduración más rápida de la red neuronal del hipocampo.
Específicamente, las neuronas del hipocampo expuestas a estas señales químicas mostraron un mayor desarrollo de sinapsis y actividad neuronal sincrónica, lo que indica una red más madura y organizada. La proliferación de astrocitos, un tipo de célula glial, aumentó 4,4 veces y la proliferación de neuronas aumentó 1,4 veces.
«Los hallazgos del estudio, cuando se consideran junto con la investigación existente, brindan evidencia convincente de que el ejercicio no solo beneficia la salud física sino también la salud cognitiva», dijo Lee a PsyPost. «Los resultados indican que las señales químicas liberadas por los músculos que se contraen juegan un papel importante en la promoción del desarrollo de las neuronas del hipocampo, que son esenciales para el aprendizaje, la memoria y la formación de redes neuronales».
«Además, el estudio destaca la participación crítica de los astrocitos, las células de apoyo de las neuronas, en la mediación del impacto del ejercicio en la actividad neuronal. Esto sugiere que mantener un equilibrio entre las neuronas y los astrocitos es crucial para una función cerebral óptima.
«Estos hallazgos enfatizan la importancia de adoptar un enfoque holístico de la salud del cerebro, teniendo en cuenta no solo el bienestar de las neuronas, sino también la función de apoyo de los astrocitos», explicó Lee. «Al incorporar factores de estilo de vida como una dieta equilibrada y ejercicio, las personas pueden optimizar potencialmente su función cerebral y su bienestar general».
Para comprender el papel de los astrocitos en el aumento de la tasa de picos observados en respuesta a las señales químicas, los investigadores realizaron un experimento utilizando cultivos de células primarias del hipocampo con poblaciones reducidas de astrocitos. Descubrieron que los astrocitos desempeñaban un papel fundamental en la mediación de los efectos del ejercicio mediante la regulación de la actividad neuronal y la prevención de la excitabilidad excesiva.
«Me sorprendió especialmente el importante papel de los astrocitos como reguladores de la actividad neuronal, que antes se había pasado por alto. En nuestro in vitro cultivos celulares, cuando eliminamos los astrocitos, observamos que las neuronas se volvían hiperexcitables», dijo Lee.
Sin embargo, esta hiperexcitabilidad fue efectivamente mediada cuando reintrodujimos los astrocitos mismos o los factores químicos liberados por los astrocitos. Este hallazgo ha abierto nuevas y emocionantes posibilidades para una mayor exploración, comprensión y tratamiento potencial de los trastornos neurológicos, como la epilepsia, donde la hiperexcitabilidad de las neuronas es un factor principal”.
En estudios futuros, los investigadores planean explorar la comunicación entre las células musculares y las células del hipocampo con más detalle. También quieren identificar las sustancias específicas liberadas por la contracción de los músculos que tienen un impacto en el crecimiento y la maduración de las neuronas del hipocampo. Esta información podría usarse para desarrollar tratamientos que repliquen los beneficios cognitivos del ejercicio incluso sin actividad física.
«Mientras esto in vitro tiene la ventaja de aislar e investigar componentes específicos del cuerpo, como los músculos, es importante reconocer una distinción importante entre los in vitro modelo y todo el organismo”, dijo Lee a PsyPost. “En el cerebro, los astrocitos forman la barrera hematoencefálica, que actúa como un filtro selectivo de sustancias de la sangre que pueden llegar a las neuronas. Sin embargo, en el in vitro modelo, no hay barrera hematoencefálica, lo que permite que los factores musculares influyan directamente en las neuronas.
«A pesar de esta disparidad, nuestra in vitro El modelo demostró que los astrocitos respondían de manera más significativa a las señales musculares en comparación con las neuronas, lo que indica un papel consistente con el de la barrera hematoencefálica. Además, el modelo reprodujo con éxito fenómenos clave observados en todo el organismo, incluida la neurogénesis, la sinaptogénesis y la astrogliogénesis (génesis significa formación). Estos hallazgos sugieren que tanto el in vitro Es probable que el modelo y todo el organismo operen a través de un mecanismo subyacente similar”.
Comprender cómo las contracciones musculares afectan el crecimiento y la regulación de las neuronas del hipocampo podría conducir a mejores tratamientos basados en el ejercicio para los trastornos cognitivos como la enfermedad de Alzheimer.
«Me gustaría mencionar que nuestra investigación sobre los efectos de las señales químicas de las células musculares que se contraen en las neuronas y los astrocitos ha arrojado información valiosa sobre el intrincado funcionamiento del cerebro», dijo Lee. «A medida que avanzamos, estamos ampliando nuestro estudio para incorporar una perspectiva de ingeniería. Si bien no puedo compartir detalles específicos en este momento, un área de investigación consiste en explorar las señales mecánicas que afectan a las neuronas durante el ejercicio, y nuestros resultados preliminares parecen ser de apoyo».
«Además, estamos realizando un estudio prometedor para analizar la actividad eléctrica de las neuronas durante el ejercicio. Los patrones de excitación neuronal que observamos pueden parecerse a los sistemas dinámicos que se encuentran en la naturaleza, como los volcanes y los terremotos.
El estudio, «La transducción de las contracciones de la fibra muscular mediada por astrocitos sincroniza el desarrollo de la red neuronal del hipocampo», fue escrito por Ki Yun Lee, Justin S. Rhodes y M. Taher A. Saif.
