mTOR как регулятор ответов на нагрузку
11.06.2020г.
.png)
Довольно давно стало известно о положительном влиянии регулярных занятий спорта на когнитивные функции человека. Первым сообщением об эффекте нагрузки на функции мозга стала статья Котмана в 1995 году в журнале Nature. В статье было показано, что уровень мРНК нейротропного фактора мозга (BDNF) в гиппокампе и каудальной части коры был выше у мышей, бегавших по ночам, в сравнении с контрольной группой мышей, не бегавших по ночам. Примечательно, что изменения произошли в высокопластичных областях мозга. Именно после этой статьи произошел скачок в количестве нейробиологических исследований в области физиологии спорта. Исследования показали, что физическая нагрузка приводит к морфологическим изменениям префронтальной коры, гиппокампа и поясной коры, а также к повышению секреции эндогенных опиоидов, аминов и глюкокортикоидов.
Занятие спортом улучшает целый спектр когнитивных функций, включая память и способность обучаться. Тем не менее, молекулярные механизмы, лежащие в основе этих улучшений, изучены плохо. Группа китайских учёных показала, что регулярное занятие спортом активирует путь mTOR (мишень рапамицина млекопитающих) в моторной коре мышей, что активирует формирование дендритных шипиков, миелинизацию аксонов, а также стимулирует активность пирамидных нейронов. Всё это ведёт к улучшению двигательного обучения.
В последние годы учёные получили достаточно свидетельств участия белка mTOR в регуляции ответов организма на нагрузку. Во-первых, занятие спортом активирует mTOR в различных периферических тканях, например, в скелетной мускулатуре. Во-вторых, активация mTOR запускает ремоделирование сетей нейронов, заключающуюся в поддержании пластичности дендритных шипиков, управлении передачей сигналов между нейронами и миелинизации аксонов. В-третьих, было показано, что путь mTOR включён в регуляцию процессов разных модальностей памяти, включая пространственную, социальную, а также двигательную. Основываясь на этих данных, группа китайских учёных предположила, что путь mTOR может являться главным внутриклеточным механизмом улучшения функций научения в ответ на нагрузку.
В эксперименте экспериментальная группа мышей занималась бегом на беговой дорожке со скоростью 12 метров в минуту по часу в день в течение 3 недель (21 день). Контрольная группа не занималась бегом.
Сначала учёные подтвердили результаты других исследований – белки BDNF и Trkb синтезировались в бо́льших количествах в двигательной коре тренировавшихся в течение 21 дня мышей. Trkb является киназой, то есть белком, который может прикреплять фосфатную группу к другим белка, тем самым активируя их. Одним из таких активируемых белков является и mTOR. Учёные также обнаружили повышенный уровень активного mTOR в двигательной коре тренировавшихся мышей. Следовательно, регулярная физическая нагрузка приводит к активации mTOR. Сходные результаты были получены и для рибосомального белка S6. Известно, что активация пути mTOR-S6 способствует синтезу синаптических белков, что усиливает синаптическую передачу сигнала. Было показано утолщение и удлинение постсинаптических уплотнений в экспериментальной группе мышей. Следовательно, нагрузка стимулирует формирование новых синапсов через активацию пути mTOR.
Наблюдение повышенного синтеза синаптических белков вследствие тренировок побудило авторов работы проверить, облегчается ли синаптическая передача. В качестве модели были использованы пирамидные нейроны 5 слоя моторной коры мыши. С помощью метода локальной фиксации потенциала, patch-clamp , было обнаружено резкое увеличение амплитуды возбуждающих постсинаптических потенциалов , связанное с активацией mTOR. При этом частота постсинаптических потенциалов не возрастала, что может говорить об усилении постсинаптического ответа, а увеличении выброса пресинаптических везикул после нагрузки. Таким образом, регулярные тренировки усиливают синаптическую передачу в пирамидных клетках 5 слоя моторной коры через путь mTOR.
Далее в работе было исследовано, будет ли картина усиленной активации ответов нейронов в изолированных клетках наблюдаться в живом организме. Для этого животным в 5 слой коры провели инъекцию вируса, который в своей ДНК нёс индикатор кальция . Спустя 21 день тренировки, учёные изучили активность нейрона с помощью флуоресцентной микроскопии . Выяснилось, что у бегавших мышей пирамидные нейроны пятого слоя двигательной коры были активнее, как в соме нейрона, так и в дендритах, чем у не тренировавшихся мышей. Как и в модели с изолированными клетками, повышенная активность нейронов была связана с путём mTOR.
Передача сигнала в синапсе является заключительным шагом всего процесса передачи нервного импульса. Прежде всего, импульс должен преодолеть зачастую большое расстояние от сомы нейрона (его центральной части) до синапса по аксону. Для ускорения передачи сигналов без потери силы аксоны покрываются оболочкой из миелина, богатой жиром и служащей своеобразным изолятором для аксона. Быстрая передача сигнала по миелиновым волокнам обеспечивает надёжную и почти мгновенную связь между различными областями мозга, что необходимо для поддержания сложных двигательных и когнитивных функций организма. Используя сходную с вышеописанной технику визуализации нейронов в живом организме, авторы статьи установили, что в области мозолистого тела, соединяющего полушария мозга и куда пирамидные клетки 5 слоя посылают свои отростки, был повышен уровень белков, содержащихся в миелине. Это может говорить о повышенной миелинизации этой области мозга, которая, как было показано исследователями, также регулируется путём mTOR.
Известно, что миелин формируется специальными клетками – олигодендроцитами и предшественниками олигодендроцитов. Учёные показали, что у тренировавшихся мышей было больше этих клеток в мозолистом теле и двигательной коре. Процесс дифференцировки предшественников олигодендроцитов в зрелые олигодендроциты также управляется mTOR.
В заключительном эксперименте авторы продемонстрировали, что регулярная нагрузка ведёт к усилению деградации старых и формированию новых дендритных шипиков . Последнее может быть основным биологическим механизмом, обеспечивающим двигательную память.
Мыши, прошедшие курс тренировок, показали лучшие результаты в тесте на ротароде . В первом тесте все мыши (контрольная группа и экспериментальная) показали одинаковый результат. Однако в последующих тестах мыши, прошедшие 21-дневный курс тренировок начали показывать всё лучшие и лучшие результаты, тогда как мыши из контрольной группы улучшали свои результаты медленнее. Этот результат может говорить о том, что регулярные тренировки ускоряют моторное научение.
Последствия нагрузки чрезвычайно обширны, как в краткосрочном, так и в долгосрочном плане. В контексте профессионального спорта важно реципрокное взаимодействие нагрузка-мозг. Предполагая, что нагрузка положительно сказывается на когнитивных функциях, мы можем предполагать и обратное отношение – развитие когнитивных функций положительно влияет на спортивные показатели. В современном спорте когнитивные тренировки стали неотъемлемой частью подготовки, а системно внедряться они начали с середины 90-х. Интересно, что, как и многое другое, психофизиологическая подготовка пришла в спорт из военной практики, а в данном случае из авиации. В 1994 году вышла статья, где психолог Гофер рассказывал о положительной роли компьютерной игры в подготовки израильских пилотов (https://www.usahockeyintelligym.com/wp-content/uploads/2018/11/Gopher-IAF-Project-Human-Factors-94.p.... На сегодняшний день множество команд и атлетов используют компьютерные игры для подготовки. Эффективность подобной практики нельзя оценить, так как не было независимых исследований без участия разработчиков игр. Тем не менее, спортсмены стали значительно умнее, они стали быстрее принимать решения на поле. Например, с 2006 по 2014 год игроки сборной Германии по футболу снизили время владения мячом с 2.7 секунды до 0.9 секунды. Это огромный скачок. Схожие данные были получены и по показателю времени работы с мячом баскетболистов, которые существенно снизили время выброса мяча из рук и в целом стали бросать точнее с дальних дистанций.
Безусловно, выводы, сделанные авторами в разобранной нами статье, пока что вряд ли найдут практическое применение в мире тренировок людей и планировании тренировочных программ. Однако, понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе улучшения когнитивных показателей во время и после нагрузки, поможет в будущем индивидуализировать тренировки, выстроить точные тренировочные планы. Это также поможет при разработке новых методов борьбы с нейродегенеративными заболеваниями, например, болезнью Альцгеймера или Паркинсона. Важно и то, что в разобранной статье учёные смогли показать комплексное воздействие нагрузки, способной улучшать двигательные навыки и когнитивные функции на разных уровнях организации – молекулярном, клеточном и организменном.
Нагрузка приводит к улучшению когнитивных функций на молекулярном, клеточном и организменном уровнях
Статья - Chen, Kai & Zheng, Yuhan & Wei, Ji-an & Ouyang, Huan & Huang, Xiaodan & Zhang, Feilong & Lai, Cora & Ren, Chaoran & So, Kwok-Fai & Zhang, Li. (2019). Exercise training improves motor skill learning via selective activation of mTOR. Science Advances. 5. eaaw1888. 10.1126/sciadv.aaw1888.
Ссылка
mTOR – важнейший белок, на котором сходится целый ряд метаболических путей, регулирующих рост, подвижность клетки, процессы аутофагии, синтеза белка и транскрипции.
BDNF – белок, действующие на нейроны центральной нервной системы и периферической; поддерживает существующие нейроны, а также стимулирует рост и дифференцировку новых нейронов и синапсов.
Скопления белков на постсинаптической мембране называют постсинаптическими уплотнениями (postsynaptic densities). Если взглянуть на синапс в электронный микроскоп, то в местах передачи сигнала между двумя нейронами (на мембране одного из них) можно увидеть толстый слой белков. Белки в этих уплотнениях облегчают передачу нервного импульса от одного нейрона к другому.
Patch-clamp – электрофизиологический метод изучения ионных токов в отдельных участках клеточной мембраны. Микропипетка, наполненная электролитным раствором и записывающий электрод, подключаются к усилителю и контактирует с мембраной клетки; другой электрод (электрод сравнения) помещается в раствор, окружающий клетку. В данной работе авторы использовали метод patch-clamp на целых клетках, что позволило оценить токи сразу через много каналов. До процедуры мыши усыпляются, образцы ткани мозга разрезаются на мелкие слои, а после инкубируются в цереброспинальной жидкости для восстановления исходной среды (как в головном мозге). Измерение происходит в специальном боксе, куда постоянно поступает насыщенная кислородом цереброспинальная жидкость.
Возбуждающий постсинаптический потенциал – кратковременный вход положительно заряженных ионов в постсинаптическую клетку (к которой идёт стимул), что делает клетку более возбудимой.
Пресинаптическая везикула – мембранной образование (как пузырь), выбрасываемые нейроном передающими сигнал и содержащие в себе нейромедиаторы, – вещества, регулирующие тип ответа нейрона, который сигнал принимает.
После такой процедуры с помощью лазерного микроскопа можно наблюдать активность тканей в живом организме (invivo). При использовании флуоресцентного микроскопа индикатор кальция позволяет выявить амплитуду «кальциевого транзиента», отражающую изменение входа кальция в клетку в ответ на нервный стимул. Чем выше амплитуда «кальциевого транзиента», тем активнее нейрон.
Во флуоресцентной микроскопии образец, к которому прикреплен краситель (вместе с флуорофором), подсвечивается на определенной длине волны, которая поглощается флуорофором, что приводит к выбросу света более длинной волны, то есть другого цвета. В микроскоп виден образец именно в цвете выброшенной волны.
Дендритные шипики – мембранные выпячивания на дендрите, где происходит приём входящего сигнала от аксона другого нейрона.
Ротарод состоит из крутящихся цилиндрических полотен, на которых мышка пытается удержаться.
Занятие спортом улучшает целый спектр когнитивных функций, включая память и способность обучаться. Тем не менее, молекулярные механизмы, лежащие в основе этих улучшений, изучены плохо. Группа китайских учёных показала, что регулярное занятие спортом активирует путь mTOR (мишень рапамицина млекопитающих) в моторной коре мышей, что активирует формирование дендритных шипиков, миелинизацию аксонов, а также стимулирует активность пирамидных нейронов. Всё это ведёт к улучшению двигательного обучения.
В последние годы учёные получили достаточно свидетельств участия белка mTOR в регуляции ответов организма на нагрузку. Во-первых, занятие спортом активирует mTOR в различных периферических тканях, например, в скелетной мускулатуре. Во-вторых, активация mTOR запускает ремоделирование сетей нейронов, заключающуюся в поддержании пластичности дендритных шипиков, управлении передачей сигналов между нейронами и миелинизации аксонов. В-третьих, было показано, что путь mTOR включён в регуляцию процессов разных модальностей памяти, включая пространственную, социальную, а также двигательную. Основываясь на этих данных, группа китайских учёных предположила, что путь mTOR может являться главным внутриклеточным механизмом улучшения функций научения в ответ на нагрузку.
В эксперименте экспериментальная группа мышей занималась бегом на беговой дорожке со скоростью 12 метров в минуту по часу в день в течение 3 недель (21 день). Контрольная группа не занималась бегом.
Сначала учёные подтвердили результаты других исследований – белки BDNF и Trkb синтезировались в бо́льших количествах в двигательной коре тренировавшихся в течение 21 дня мышей. Trkb является киназой, то есть белком, который может прикреплять фосфатную группу к другим белка, тем самым активируя их. Одним из таких активируемых белков является и mTOR. Учёные также обнаружили повышенный уровень активного mTOR в двигательной коре тренировавшихся мышей. Следовательно, регулярная физическая нагрузка приводит к активации mTOR. Сходные результаты были получены и для рибосомального белка S6. Известно, что активация пути mTOR-S6 способствует синтезу синаптических белков, что усиливает синаптическую передачу сигнала. Было показано утолщение и удлинение постсинаптических уплотнений в экспериментальной группе мышей. Следовательно, нагрузка стимулирует формирование новых синапсов через активацию пути mTOR.
Наблюдение повышенного синтеза синаптических белков вследствие тренировок побудило авторов работы проверить, облегчается ли синаптическая передача. В качестве модели были использованы пирамидные нейроны 5 слоя моторной коры мыши. С помощью метода локальной фиксации потенциала, patch-clamp , было обнаружено резкое увеличение амплитуды возбуждающих постсинаптических потенциалов , связанное с активацией mTOR. При этом частота постсинаптических потенциалов не возрастала, что может говорить об усилении постсинаптического ответа, а увеличении выброса пресинаптических везикул после нагрузки. Таким образом, регулярные тренировки усиливают синаптическую передачу в пирамидных клетках 5 слоя моторной коры через путь mTOR.
Далее в работе было исследовано, будет ли картина усиленной активации ответов нейронов в изолированных клетках наблюдаться в живом организме. Для этого животным в 5 слой коры провели инъекцию вируса, который в своей ДНК нёс индикатор кальция . Спустя 21 день тренировки, учёные изучили активность нейрона с помощью флуоресцентной микроскопии . Выяснилось, что у бегавших мышей пирамидные нейроны пятого слоя двигательной коры были активнее, как в соме нейрона, так и в дендритах, чем у не тренировавшихся мышей. Как и в модели с изолированными клетками, повышенная активность нейронов была связана с путём mTOR.
Передача сигнала в синапсе является заключительным шагом всего процесса передачи нервного импульса. Прежде всего, импульс должен преодолеть зачастую большое расстояние от сомы нейрона (его центральной части) до синапса по аксону. Для ускорения передачи сигналов без потери силы аксоны покрываются оболочкой из миелина, богатой жиром и служащей своеобразным изолятором для аксона. Быстрая передача сигнала по миелиновым волокнам обеспечивает надёжную и почти мгновенную связь между различными областями мозга, что необходимо для поддержания сложных двигательных и когнитивных функций организма. Используя сходную с вышеописанной технику визуализации нейронов в живом организме, авторы статьи установили, что в области мозолистого тела, соединяющего полушария мозга и куда пирамидные клетки 5 слоя посылают свои отростки, был повышен уровень белков, содержащихся в миелине. Это может говорить о повышенной миелинизации этой области мозга, которая, как было показано исследователями, также регулируется путём mTOR.
Известно, что миелин формируется специальными клетками – олигодендроцитами и предшественниками олигодендроцитов. Учёные показали, что у тренировавшихся мышей было больше этих клеток в мозолистом теле и двигательной коре. Процесс дифференцировки предшественников олигодендроцитов в зрелые олигодендроциты также управляется mTOR.
В заключительном эксперименте авторы продемонстрировали, что регулярная нагрузка ведёт к усилению деградации старых и формированию новых дендритных шипиков . Последнее может быть основным биологическим механизмом, обеспечивающим двигательную память.
Мыши, прошедшие курс тренировок, показали лучшие результаты в тесте на ротароде . В первом тесте все мыши (контрольная группа и экспериментальная) показали одинаковый результат. Однако в последующих тестах мыши, прошедшие 21-дневный курс тренировок начали показывать всё лучшие и лучшие результаты, тогда как мыши из контрольной группы улучшали свои результаты медленнее. Этот результат может говорить о том, что регулярные тренировки ускоряют моторное научение.
Последствия нагрузки чрезвычайно обширны, как в краткосрочном, так и в долгосрочном плане. В контексте профессионального спорта важно реципрокное взаимодействие нагрузка-мозг. Предполагая, что нагрузка положительно сказывается на когнитивных функциях, мы можем предполагать и обратное отношение – развитие когнитивных функций положительно влияет на спортивные показатели. В современном спорте когнитивные тренировки стали неотъемлемой частью подготовки, а системно внедряться они начали с середины 90-х. Интересно, что, как и многое другое, психофизиологическая подготовка пришла в спорт из военной практики, а в данном случае из авиации. В 1994 году вышла статья, где психолог Гофер рассказывал о положительной роли компьютерной игры в подготовки израильских пилотов (https://www.usahockeyintelligym.com/wp-content/uploads/2018/11/Gopher-IAF-Project-Human-Factors-94.p.... На сегодняшний день множество команд и атлетов используют компьютерные игры для подготовки. Эффективность подобной практики нельзя оценить, так как не было независимых исследований без участия разработчиков игр. Тем не менее, спортсмены стали значительно умнее, они стали быстрее принимать решения на поле. Например, с 2006 по 2014 год игроки сборной Германии по футболу снизили время владения мячом с 2.7 секунды до 0.9 секунды. Это огромный скачок. Схожие данные были получены и по показателю времени работы с мячом баскетболистов, которые существенно снизили время выброса мяча из рук и в целом стали бросать точнее с дальних дистанций.
Безусловно, выводы, сделанные авторами в разобранной нами статье, пока что вряд ли найдут практическое применение в мире тренировок людей и планировании тренировочных программ. Однако, понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе улучшения когнитивных показателей во время и после нагрузки, поможет в будущем индивидуализировать тренировки, выстроить точные тренировочные планы. Это также поможет при разработке новых методов борьбы с нейродегенеративными заболеваниями, например, болезнью Альцгеймера или Паркинсона. Важно и то, что в разобранной статье учёные смогли показать комплексное воздействие нагрузки, способной улучшать двигательные навыки и когнитивные функции на разных уровнях организации – молекулярном, клеточном и организменном.
Нагрузка приводит к улучшению когнитивных функций на молекулярном, клеточном и организменном уровнях
Статья - Chen, Kai & Zheng, Yuhan & Wei, Ji-an & Ouyang, Huan & Huang, Xiaodan & Zhang, Feilong & Lai, Cora & Ren, Chaoran & So, Kwok-Fai & Zhang, Li. (2019). Exercise training improves motor skill learning via selective activation of mTOR. Science Advances. 5. eaaw1888. 10.1126/sciadv.aaw1888.
Ссылка
mTOR – важнейший белок, на котором сходится целый ряд метаболических путей, регулирующих рост, подвижность клетки, процессы аутофагии, синтеза белка и транскрипции.
BDNF – белок, действующие на нейроны центральной нервной системы и периферической; поддерживает существующие нейроны, а также стимулирует рост и дифференцировку новых нейронов и синапсов.
Скопления белков на постсинаптической мембране называют постсинаптическими уплотнениями (postsynaptic densities). Если взглянуть на синапс в электронный микроскоп, то в местах передачи сигнала между двумя нейронами (на мембране одного из них) можно увидеть толстый слой белков. Белки в этих уплотнениях облегчают передачу нервного импульса от одного нейрона к другому.
Patch-clamp – электрофизиологический метод изучения ионных токов в отдельных участках клеточной мембраны. Микропипетка, наполненная электролитным раствором и записывающий электрод, подключаются к усилителю и контактирует с мембраной клетки; другой электрод (электрод сравнения) помещается в раствор, окружающий клетку. В данной работе авторы использовали метод patch-clamp на целых клетках, что позволило оценить токи сразу через много каналов. До процедуры мыши усыпляются, образцы ткани мозга разрезаются на мелкие слои, а после инкубируются в цереброспинальной жидкости для восстановления исходной среды (как в головном мозге). Измерение происходит в специальном боксе, куда постоянно поступает насыщенная кислородом цереброспинальная жидкость.
Возбуждающий постсинаптический потенциал – кратковременный вход положительно заряженных ионов в постсинаптическую клетку (к которой идёт стимул), что делает клетку более возбудимой.
Пресинаптическая везикула – мембранной образование (как пузырь), выбрасываемые нейроном передающими сигнал и содержащие в себе нейромедиаторы, – вещества, регулирующие тип ответа нейрона, который сигнал принимает.
После такой процедуры с помощью лазерного микроскопа можно наблюдать активность тканей в живом организме (invivo). При использовании флуоресцентного микроскопа индикатор кальция позволяет выявить амплитуду «кальциевого транзиента», отражающую изменение входа кальция в клетку в ответ на нервный стимул. Чем выше амплитуда «кальциевого транзиента», тем активнее нейрон.
Во флуоресцентной микроскопии образец, к которому прикреплен краситель (вместе с флуорофором), подсвечивается на определенной длине волны, которая поглощается флуорофором, что приводит к выбросу света более длинной волны, то есть другого цвета. В микроскоп виден образец именно в цвете выброшенной волны.
Дендритные шипики – мембранные выпячивания на дендрите, где происходит приём входящего сигнала от аксона другого нейрона.
Ротарод состоит из крутящихся цилиндрических полотен, на которых мышка пытается удержаться.
#Наука
.jpg)
