Исследования мышечной памяти у человека

В предыдущей части статьи мы остановились на исследованиях феномена мышечной памяти проведенных на животных. Подобные исследования хотя и помогают изучить происходящие в клетках процессы, но не всегда могут быть использованы для применения полученной информации на людях прямым образом. По этой причине, для установления максимально объективных знаний, необходимы соответствующие эксперименты с участием людей. О них и будет речь в этой части статьи.

Данные исследований мышечной памяти человека

Феномен того, что «скелетные мышцы могут сохранять некоторую память», происходит из наблюдений за людьми, показывающих, что ранее тренированные люди, прекратившие занятия, быстрее набирают мышечную массу и силу после возобновления тренировок [1-3].

Staron et al [2] было впервые показано, что женщины восстанавливали мышечную силу и размер волокон в течение 6 недель переподготовки, доходя до результатов достигнутых за первые 20 недель силовых тренировок.

Вместе с последующими наблюдениями это привело к предположению, что возможно существует какая‐то местная мышечная память, ответственная за такое быстрое восстановление мышц. Однако это было до того, как появились первые данные исследований на животных, показывающие, что миоядра не обязательно теряются при атрофических состояниях. И это привело авторов к размышлениям о гипотезе «мышечной памяти на основе миоядерного постоянства» [4].

С тех пор эта гипотеза была исследована и обсуждалась почти исключительно на основе исследований, проведенных на животных. Верны ли постулируемые механизмы и у людей, остается в значительной степени неясным. Тем не менее, есть несколько исследований на людях, которые дают доказательства, потенциально подтверждающие и даже частично противоречащие гипотезе мышечной памяти. Например, краткосрочные (локальные) модели физической неактивности у людей позволяют понять, теряются ли миоядра во время атрофии мышечных волокон. В то время, как некоторые сообщили об отсутствии изменений в содержании ядер, когда атрофия была вызвана кратковременной иммобилизацией колена одной ноги [5-7], постельным режимом [8], или уменьшением шагов [9], другие показали, что атрофия мышечных волокон сопровождалась небольшим (5% -10%), но значимым снижением содержания миоядер после 14 дней постельного режима [10] или воздействие микрогравитации [11]. Также не удавалось обнаружить какой‐либо потери содержания миоядер у тяжелобольных пациентов, несмотря на тяжелую атрофию мышечных волокон (~20%) в течение всего лишь 7 дней после стабилизации состояния [12]. Общее отсутствие консенсуса между исследованиями может быть частично объяснено различиями в степени выраженности применяемой модели физической инертности (например, абсолютность, продолжительность), что приводит к различиям в наблюдаемой мышечной атрофии. Кроме того, содержание миоядер в исследованиях на людях почти исключительно оценивается с помощью поперечных срезов мышц, которые могут иметь ограниченную способность точно обнаруживать небольшие изменения в содержании миоядер с течением времени. Однако большинство исследований [5-11] все же предполагают, что миоядра не теряются

в больших количествах после атрофии мышечных волокон, вызванной кратковременной физической неактивностью.

Чем больше мышц, тем больше в них ядер

Теория миоядерного домена постулирует, что существует линейная зависимость между размером мышечных волокон и содержанием миоядер в скелетной мышечной ткани человека [13-18]. Чем больше мышцы, тем больше в них ядер. Эти данные контрастируют с данными экспериментальных животных, которые предполагают, что связь между размером мышечных волокон и содержанием миоядер не является постоянной на протяжении всей жизни [19].

За последнее десятилетие были оценены размер мышечных волокон I и II типов и содержание в них миоядер (исключая мышечные сателлитные клетки) у более чем 400 нетренированных добровольцев-людей с широким возрастнымдиапазоном от 18 до 89 лет.

Обнаружено, что действительно существует положительная линейная зависимость между размером мышечных волокон и содержанием миоядер. Пост-специальный анализ показывает, что линейные зависимости между размером мышечных волокон I и II типов и содержанием миоядер в значительной степени сохраняются с увеличением возраста (см. рис. 1, графики А-D). Поскольку старение сопровождается уменьшением размера мышечных волокон, которое происходит преимущественно в мышечных волокнах II типа, эти данные свидетельствуют о том, что содержание миоядер является гибким и вряд ли будет сохраняться бесконечно в течение всей жизни человека. Большинство исследований, изучающих характеристики мышечных волокон, основаны на образцах биопсии мышц, полученных от взрослых мужчин. Kramer et al. [18] продемонстрировали одно из немногих исследований, проведенных у женщин, показавшее положительную связь между размером мышечных волокон и содержанием миоядер как у здоровых молодых (23 года), так и у пожилых (82 года) женщин. Интересно, что положительная ассоциация не наблюдалась у сопоставимых по возрасту пожилых (83 года) женщин, страдающих переломом бедра из‐за низкоэнергетического падения (т. е. определяемого как падение из положения стоя или меньшей высоты). Площадь поперечного сечения мышечных волокон II типа была значительно меньше у пациентов с переломом бедра по сравнению с сопоставимыми по возрасту здоровыми контрольными группами, но никаких различий между ними в содержании миоядер не наблюдалось. В результате у хрупких пожилых женщин, перенесших перелом бедра, не наблюдалось никакой связи между содержанием миоядер и размером мышечных волокон. Их мышцы, хотя и были меньше, чем у сверстников, но содержали такое же количество ядер. Хотя эти данные носят поперечный характер, они могут предполагать, что содержание миоядер сохраняется в некоторой степени при обширной мышечной атрофии, в данном случае у хрупких пожилых людей.

Долгосрочное миоядерное постоянство у человека

В рамках теории мышечной памяти постулируется, что миоядра сохраняются в течение длительного периода времени или, возможно, даже бесконечно. Это может впоследствии представлять собой биологическое преимущество, когда исходный размер мышечных волокон должен быть восстановлен после периода вызванной неиспользованием потери мышечной массы. Поперечные исследования на людях дают дополнительные доказательства, которые потенциально опровергают предположение о бессрочной миоядерной ретенции (задержки) в течение всей жизни. Например, было показано, что размер мышечных волокон I и II типов, а также содержание миоядер существенно ниже у пациентов с тяжелой атрофией мышц спинного мозга (~9 лет после травмы) по сравнению

со здоровыми контрольными группами, сопоставимыми по возрасту(20). Точно так же размер мышечных волокон II типа и содержание миоядер имеют тенденцию быть ниже у пациентов, страдающих рассеянным склерозом, по сравнению с контролем, соответствующим возрасту [21]. До настоящего времени большинство исследований на людях были сосредоточены на сравнении относительно здоровых молодых и пожилых людей. В то время, как некоторые исследования показали более низкое содержание миоядер у пожилых (>60 лет) по сравнению с молодыми (18-29 лет) участниками, другие не обнаружили никаких отличий. Это расхождение может быть частично объяснено различными возрастными категориями и/или относительно низким числом субъектов, включенных в некоторые исследования.

Рисунок 2 показывает оценку размера мышечных волокон I и II типов, содержания миоядер и размер миоядерных доменов в большой группе (n = 302) здоровых мужчин

разных возрастных категорий(столбики слева направо: молодые люди (18-29 лет; n = 119), половозрелые (60-69 лет; n = 91) и семидесятилетние (70-79 лет; n = 93)). Можно заметить, что мышечные волокна II типа значительно меньше у пожилых людей, что сопровождается и более низким содержанием миоядер, а также меньшим размером миоядерного домена (напомню, что это, если простыми словами, количество клеточного пространства, приходящегося на одно ядро).

Хотя эти данные являются поперечными ( т.е. не изучающими изменения происходящие с конкретным человеком с течением времени, а фиксирующие ситуацию в данный момент), они предполагают, что содержание миоядер не сохраняется бесконечно в течение всей человеческой жизни. У молодых людей ядер по статистике всегда больше, чем у пожилых. Недавно были представлены дополнительные доказательства этого в рамках исследования с тренировками и детренированностью(22). В этом исследовании здоровые пожилые люди (n = 35) подвергались 6-месячным контролируемым тренировкам с внешним сопротивлением, что приводило к значительному увеличению размера мышечных волокон и содержания миоядер. После 1 года отсутствия нагрузок размер мышечных волокон, а также содержание миоядер вернулись к исходному уровню. Эти результаты, по-видимому, согласуются с ранее обсуждавшимся исследованием, проведенным на животных, демонстрирующим снижение содержания миоядер во время отсутствия тренировок [23].

В целом, большинство исследований на людях, по-видимому, не поддерживают идею о том, что миоядра сохраняются бесконечно в течение всей жизни.

Тем не менее, хотя некоторые миоядра могут быть потеряны со временем, низкий размер миоядерного домена (на одно ядро приходится малый объем клетки - ниже обычного), может благотворно влиять на способность мышечных волокон к росту. Простыми словами, если на единицу объема мышечной клетки, приходится больше ядер, чем обычно (низкий миоядерный домен), то мышечная клетка может еще заметно и быстро гипертрофироваться [29]. Почему? Потому что количество содержащихся в ней ядер способно обслуживать (синтезировать вокруг себя белки) большее клеточное пространство, чем имеется.

И в условиях внешнего стимула, например тренировок, генетический аппарат ядер активируется на полную мощь, миоядерный домен станет больше, а вместе с ним и вся мышца. Для дальнейшего же увеличения мышечного объема, придется уже увеличивать количество самих ядер, так как миоядерный домен достиг максимума. Новые ядра позволят увеличить еще больше объем клеточного пространства.

Эпигенетическая мышечная память

Помимо существования мышечной памяти путем сохранения в клетках повышенного количества миоядер, была выдвинута гипотеза, что мышечная память может также найти свое происхождение на эпигенетическом уровне. Seaborne et al [24] продемонстрировали, что в течение 7 недель силовых упражнений, наблюдалась гипертрофия мышечных волокон, которая сопровождалась гипометилированием ДНК. В то время как мышечная масса возвращалась к исходному уровню во время последующего периода детренированности, гипометилирование ДНК поддерживалось. Кроме того, это гипометилирование также поддерживалось в течение последующего 7‐недельного периода повторной тренировки с силовыми упражнениями, в течение которого прирост мышечной массы и силы был значительно больше по сравнению с начальным 7‐недельным периодом.

Гипометилирование обычно способствует усилению экспрессии генов за счет удаления метильных групп из ДНК, что позволяет улучшить доступ к транскрипционному механизму и РНК-полимеразам, которые обеспечивают транскрипцию. Вместе это позволило бы предположить, что физические упражнения приводят к усиленному гипометилированному состоянию генов, которое затем поддерживается во время детренировки, позволяя увеличить транскрипцию этих генов во время переобучения и, позволяя усилить реакцию роста мышечных волокон.

Остается определить, сохраняется ли вызванное тренировкой гипометилирование ДНК в течение более длительного периода, независимо от изменений содержания миоядер, и способствует ли оно большей гипертрофии мышечных волокон во время повторных тренировок после более длительного периода детренированности, например десятилетий.

Эволюционное происхождение мышечной памяти человека

Помимо всего прочего, высказывается предположение, что мышечная память благодаря миоядерному постоянству может иметь эволюционное происхождение [25]. Постоянное удержание миоядер может представлять собой адаптивный механизм для людей, у которых была потребность в увеличении мышечной производительности (т. е. силы) в прошлом, чтобы быстрее восстановить мышечную массу в будущем, как более долгосрочное преимущество или адаптация. Таким образом, в течение периодов времени, когда нет развивающих нагрузок, можно не поддерживая большого количества мышечной массы (за ненадобностью организму), сохранять способность восстанавливать эту мышечную массу при необходимости. Другими словами, опыт из прошлого становится полезным, когда та же самая задача возникает снова, подобно тому, как это наблюдается с памятью мозга.

Однако, поскольку в настоящее время существует довольно много исследований, которые противоречат гипотезе миоядерного постоянства, а также ставят ряд проблем перед традиционным научным мышлением о принципе «используй его или потеряй» как таковом, стоит также рассмотреть более телеологическую перспективу

Телеоло́гия- учение об объяснении развития в мире с помощью конечных, целевых причин.

Как правило, эффективность лежит в основе фундаментальной биологии. Клетки / ткани / органы обладают способностью адаптироваться к стрессу, добавляя органеллы или даже анатомические структуры для поддержания повышенного спроса на их присутствие. Классические примеры включают добавление митохондрий и капилляров после аэробной тренировки [26,27]. Это важнейшие приспособления к нагрузке, предназначенные для обеспечения большей доставки кислорода и оптимизации использования субстратов (например, глюкозы, жирных кислот, аминокислот) во время физических упражнений.

Однако важно отметить, что митохондрии и капилляры быстро теряются, когда физические упражнения не продолжаются [28]. Это два классических примера биологической эффективности в контексте физической науки. Поэтому важно задать вопрос: имеет ли смысл, чтобы мышечная клетка сохраняла миоядра, когда они не нужны? Это особенно актуально, если учесть, что мышечные клетки имеют легкодоступный источник ядер (с помощью клеток-спутников сателлитов), которые могут быть быстро мобилизованы после стрессовых событий, таких как ранние этапы программы тренировок. То есть в теории, количество ядер не обязательно сохранять высоким в мышечной клетке, если при возникновении потребности в них, их будет легко получить. Хотя, как считают ученые в наше время, телеологическая перспектива может в равной степени вызывать размышления по данной теме, она также в значительной степени остается спекуляцией.

В частности, затраты на сохранение большого количества миоядер в небольшом мышечном волокне никогда не было количественно оценено и не сравнивалось с затратами на их устранение и воссоздание миоядер во время мышечной адаптации к нагрузкам.

Следовательно, несмотря на то, что могут быть созданы новые миоядра, столь же «эффективным» может быть простое сохранение ранее созданных ядер, которые затем будут легко доступны для будущего (повторного) использования.

Эпигенетическая гипотеза мышечной памяти может, однако, быть альтернативным правдоподобным механизмом для рассмотрения. Действительно, эпигенетика, модификация генов для усиления или подавления экспрессии генов, может оказаться надежным механизмом для объяснения концепции мышечной памяти. Кроме того, мышечная память на основе миоядерного постоянства и эпигенетика не являются взаимоисключающими, а могут даже дополнять друг друга. В конечном счете именно сбор окончательных данных с использованием соответствующих моделей прольет свет на этот вопрос. В настоящее время, хотя это и имеет потенциал в качестве теории, мышечная память на основе миоядерного постоянства (по крайней мере у людей) не является ответом на все вопросы.

Заключение автора

Современные научные данные не дают единого мнения о существовании мышечной памяти путем миоядерного постоянства как в скелетной мышечной ткани животных, так и в мышечной ткани человека. Очевидно, что необходимы дополнительные исследования, особенно на людях, чтобы экспериментально проверить гипотезу мышечной памяти.

Может потребоваться разработка более чувствительных методов оценки изменений содержания и функции миоядер в образцах мышечной биопсии для полного установления сложной роли, которую миоядра играют в восстановлении мышц.

Мышечная память существует, это установленный факт, но наука не может дать точный ответ от механизмах ее формирования.

Это пока ничего не меняет в практической плоскости - присутствие физической нагрузки может быть полезно не только в настоящем, но и будущем. Да, и ранее отстраненных за употребление стероидов спортсменов, после окончания срока дисквалификации все еще допускают повторно к соревновательной деятельности, несмотря на теоретические предпосылки более высоких возможностей по развитию силы и мышечной массы, по сравнению с теми,кто допинг вообще никогда не употреблял. Просто потому, что это именно теория, которая требует дальнейшего изучения и практического подтверждения на людях.

Источники

1. Taaffe DR, Marcus R. Dynamic muscle strength alterations to detraining and retraining in elderly men. Clin Physiol. 1997;17(3):311‐324.
2. Staron RS, Leonardi MJ, Karapondo DL, et al. Strength and skeletal muscle adaptations in heavy‐resistance‐trained women after detraining and retraining. J Appl Physiol. (1985). 1991;70(2):631‐640.
3. Seaborne RA, Strauss J, Cocks M, et al. Human skeletal muscle possesses an epigenetic memory of hypertrophy. Sci Rep. 2018;8(1):1898
4. Bruusgaard JC, Johansen IB, Egner IM, Rana ZA, Gundersen K. Myonuclei acquired by overload exercise precede hypertrophy and are not lost on detraining. Proc Natl Acad Sci USA. 2010;107(34):15111‐15116
5. Snijders T, Wall B, Dirks M, et al. Muscle disuse atrophy is not accompanied by changes in skeletal muscle satellite cell content. Clin Sci (Lond). 2014;126(8):557‐566.
6. Dirks ML, Wall BT, Snijders T, Ottenbros CL, Verdijk LB, van Loon LJ. Neuromuscular electrical stimulation prevents muscle disuse atrophy during leg immobilization in humans. Acta Physiol (Oxf). 2014;210(3):628‐641.
7. Dirks ML, Wall BT, Nilwik R, Weerts DH, Verdijk LB, van Loon LJ. Skeletal muscle disuse atrophy is not attenuated by dietary protein supplementation in healthy older men. J Nutr. 2014;144(8):1196‐1203.
8. Dirks ML, Wall BT, van de Valk B, et al. One week of bed rest leads to substantial muscle atrophy and induces whole‐body insulin resistance in the absence of skeletal muscle lipid accumulation. Diabetes. 2016;65(10):2862‐2875.
9. Moore DR, Kelly RP, Devries MC, et al. Low‐load resistance exercise during inactivity is associated with greater fibre area and satellite cell expression in older skeletal muscle. J Cachexia Sarcopenia Muscle. 2018;9(4):747‐754.
10. Arentson‐Lantz EJ, English KL, Paddon‐Jones D, Fry CS. Fourteen days of bed rest induces a decline in satellite cell content and robust atrophy of skeletal muscle fibers in middle‐aged adults. J Appl Physiol. (1985). 2016;120(8):965‐975.
11. Day MK, Allen DL, Mohajerani L, Greenisen MC, Roy RR, Edgerton VR. Adaptations of human skeletal muscle fibers to spaceflight. J Gravit Physiol. 1995;2(1):P47‐50.
12. Dirks ML, Hansen D, Van Assche A, Dendale P, Van Loon LJ. Neuromuscular electrical stimulation prevents muscle wasting in critically ill comatose patients. Clin Sci (Lond). 2015;128(6):357‐365.
13. Eriksson A, Kadi F, Malm C, Thornell LE. Skeletal muscle morphology in power‐lifters with and without anabolic steroids. Histochem Cell Biol. 2005;124(2):167‐175.
14. Kadi F, Charifi N, Henriksson J. The number of satellite cells in slow and fast fibres from human vastus lateralis muscle. Histochem Cell Biol. 2006;126(1):83‐87.
15. Kadi F, Eriksson A, Holmner S, Thornell LE. Effects of anabolic steroids on the muscle cells of strength‐trained athletes. Med Sci Sports Exerc. 1999;31(11):1528‐1534.
16. Karlsen A, Couppé C, Andersen JL, et al. Matters of fiber size and myonuclear domain: Does size matter more than age? Muscle Nerve. 2015;52(6):1040‐1046.
17. Verdijk LB, Snijders T, Beelen M, et al. Characteristics of muscle fiber type are predictive of skeletal muscle mass and strength in elderly men. J Am Geriatr Soc. 2010;58(11):2069‐2075.
18. Kramer IF, Snijders T, Smeets JSJ, et al. Extensive type ii muscle fiber atrophy in elderly female hip fracture patients. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2017;72(10):1369‐1375.
19. Bruusgaard JC, Liestol K, Gundersen K. Distribution of myonuclei and microtubules in live muscle fibers of young, middle‐aged, and old mice. J Appl Physiol. (1985). 2006;100(6):2024‐2030
20. Verdijk LB, Dirks ML, Snijders T, et al. Reduced satellite cell numbers with spinal cord injury and aging in humans. Med Sci Sports Exerc. 2012;44(12):2322‐2330.
21. Farup J, Dalgas U, Keytsman C, Eijnde BO, Wens I. High intensity training may reverse the fiber type specific decline in myogenic stem cells in multiple sclerosis patients. Front Physiol. 2016;7:193.
22. Snijders T, Leenders M, de Groot L, van Loon LJC, Verdijk LB. Muscle mass and strength gains following 6months of resistance type exercise training are only partly preserved within one year with autonomous exercise continuation in older adults. Exp Gerontol. 2019;121:71‐78.
23. Dungan CM, Murach KA, Frick KK, et al. Elevated myonuclear density During skeletal muscle hypertrophy In response to training is reversed during detraining. Am J Physiol Cell Physiol. 2019;316(5):C649‐C654
24. Seaborne RA, Strauss J, Cocks M, et al. Human skeletal muscle possesses an epigenetic memory of hypertrophy. Sci Rep. 2018;8(1):1898.
25. Gundersen K. Muscle memory and a new cellular model for muscle atrophy and hypertrophy. J Exp Biol. 2016;219(Pt 2): 235-242.
26. Gollnick PD, Armstrong RB, Saltin B, Saubert CW, Sembrowich WL, Shepherd RE. Saubert CWt, Sembrowich WL, Shepherd RE. Effect of training on enzyme activity and fiber composition of human skeletal muscle. J Appl Physiol. 1973;34(1):107‐111.
27. Andersen P, Henriksson J. Capillary supply of the quadriceps femoris muscle of man: adaptive response to exercise. J Physiol. 1977;270(3):677‐690.
28. Mujika I, Padilla S. Muscular characteristics of detraining in humans. Med Sci Sports Exerc. 2001;33(8):1297‐1303.
29. The concept of skeletal muscle memory: Evidence from animal and human studies. Tim Snijders, Thorben Aussieker, Andy Holwerda, Gianni Parise, Luc J. C. van Loon, Lex B. Verdijk. Acta Physiol (Oxf). 2020 Jul; 229(3): e13465.