«Мышечная память»: что же нам известно о ней на текущий момент? Традиционно термин «мышечная память» часто, но ошибочно, используется как синоним освоения двигательного навыка, например, когда человек может ездить на велосипеде даже после многих лет без его использования. Однако на самом деле, рассматриваемый термин относится к регулированию роста мышечной массы на основе сохранения клеточной памяти о ранее достигнутых результатов в гипертрофии.

Все мы слышали, что, если ранее занимался спортом и достиг чего-то значимого,то даже несмотря на длительное прекращение тренировочного процесса, после возобновления регулярных нагрузок, вернуть прежнюю форму можно уже гораздо быстрее. То есть уже не придется тратить столько же времени на достижение своих лучших результатов. Почему так происходит, что об этом говорят исследования, как извлечь из этого пользу для здоровья? Об этом и другом в данной статье.

Мышечная память: теория «миоядерного домена»

Мышечные волокна - это большие многоядерные клетки. Каждое мышечное волокно содержит от сотен до тысяч ядер. Например, одно мышечное волокно бицепса человека длиной 10 см содержит около 3000 ядер [1].

В то время как в большинстве клеток ядро занимает центр тела клетки, внутри мышечных волокон ядра располагаются периферически рядом с плазматической мембраной(ближе к поверхности). Только при определенных условиях, таких как развитие, восстановление/регенерация или специфические патологии, можно обнаружить ядра, мигрирующие в центр мышечного волокна. Мышечные ядра (миоядра) являются постмитотическими и имеют уплощенную и удлиненную форму с длинной осью, обычно идущей параллельно продольной оси мышечного волокна. Ядра распределяются внутри мышечного волокна не случайным образом. На самом деле,они отталкиваются друг от друга во время позиционирования, что приводит к равномерно распределенной конфигурации внутри мышечного волокна [2]. Еще в IXX веке [3], было выдвинуто предположение, что каждое ядро «обслуживает» определенный объем цитоплазмы мышечных волокон, первоначально называемый «кариоплазматическим» соотношением. Совсем недавно концепция мышечного волокна, разделенного на равномерно распределенные компартменты, каждый из которых находится под контролем одного ядра мышечной клетки, была названа «единицей ДНК» [4] или «миоядерный домен» [5]. Согласно теории миоядерного домена, каждое ядро обладает ограниченной транскрипционной способностью, синтезируя белки только для использования в непосредственной близости от самого себя [5, 6].

Тренировка мышечной памяти: насколько это реально

Исходя из концепции теории миоядерных доменов, должна существовать приближенная линейная зависимость между общим числом ядер и размером и/или объемом мышечных волокон. Хотя теория мионуклеарного домена была быстро принята как истинная многими исследователями, она все еще продолжает интенсивно обсуждаться в этой области [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]. Например, основываясь на парадигме, мионуклеарный домен должен поддерживаться (относительно) постоянным путем добавления дополнительных ядер (поставляемых мышечными сателлитными клетками) во время гипертрофии мышечных волокон и путем потери ядер во время атрофии мышечных волокон (через апоптоз). То есть, простым языком, чем больше мышца в объеме, тем больше в ней ядер, чем меньше объем-тем меньше ядер [1,4]. Однако более поздние исследования на животных показали, что ядра мышечных клеток не теряются при различных моделях мышечной атрофии [7]. Кроме того, было выдвинуто предположение, что ядра, которые добавляются для поддержки гипертрофии мышечных волокон, не теряются во время детренировки [15, 16].

Такое «ядерное постоянство» могло бы стать механизмом, позволяющим мышечному волокну расти более эффективно во время возобновления тренировок после длительного перерыва, поскольку число ядер оставалось бы в повышенном, соответствующим тренированному состоянию. Этот потенциальный феномен называют «мышечной памятью» [8].

Развитие мышечной памяти

Предположение о существовании «мышечной памяти» на гипертрофические стимулы может иметь ряд последствий в различных спортивных и клинических условиях. Например, анаболические стероиды используются в различных элитных спортивных соревнованиях, чтобы стимулировать рост мышц и улучшить восстановление. Основной их эффект основан на существенном увеличении количества ядер в мышечных клетках, по сравнению с тем,что может быть достигнуто при тренировках без использования стероидов. Ученые даже полагают, что эта способность добавлять значимо ядра к мышечным волокнам может создать несправедливое конкурентное преимущество для ранее пойманных и отстраненных за использование допинга нарушителей при возвращении их обратно к соревнованиям. Ведь несмотря на то,что они уже не используют запрещенные препараты, их потенциал к росту мышц будет выше, ведь в их мышцах сохранились «накопленные» благодаря стероидам ядра. Однако, есть и определенная польза в этом для других категорий людей. Например, мышечная память может также способствовать более быстрому росту мышц у пожилых людей, которые ранее тренировались с упражнениями с сопротивлением, потенциально обеспечивая клиническое преимущество при борьбе с возрастной потерей мышц. Действительно, если человек на старости лет решил продлить активное долголетие, начав тренироваться, ему будет гораздо легче достигнуть значимого результата в этом, если его мышцы уже содержат повышенное количество клеточных ядер, «накопленных» за несколько лет тренировок в молодости, чем когда он стартует с нуля.

В преклонном возрасте банально уже не будет и такого количества времени, чтобы достигнуть должного уровня физической силы и производительности для полноценной жизни.

Схематическая иллюстрация мышечной памяти, демонстрирующая кодирование, хранение и извлечение “информации”, связанной с силовыми упражнениями

Однако важно отметить, что гипотеза «мышечной памяти» в основном базировалась на данных, полученных из экспериментальных моделей грызунов. Поскольку между видами существуют явные различия в мышечной архитектуре и метаболизме [17, 18] перевод этих результатов на язык людей является сложной задачей.

До сих пор любые данные исследований на людях, подтверждающие или опровергающие гипотезу о мышечной памяти, в основном игнорировались.

Исследования феномена «мышечной памяти» на животных

Потенциальное отсутствие потери ядер (в результате апоптоза) во время экстремальных моделей мышечной атрофии еще не является убедительным доказательством мионуклеарного постоянства и существования мышечной памяти.

Первое экспериментальное доказательство сохранения числа ядер после мышечной гипертрофии было опубликовано исследовательской группой Гандерсена [19].

В этом исследовании мышца extensor digitorum longus (EDL) мышей была перегружена синергической абляцией, что привело к значительному увеличению размера мышечных волокон и содержания ядер в мышечных клетках. Что еще более важно, повышенное количество ядер сохранялось в течение 3 месяцев последующей денервации (разобщение связи с нервной системой), которая сопровождалась тяжелой атрофией мышечных волокон [19]. Хотя после 3 месяцев денервации наблюдалась высокая степень апоптоза, этому дегенеративному процессу были не подвержены как давние, так и вновь приобретенные ядра [19]. Дополнительные исследования на мышах не показали никаких изменений в содержании ядер в течение 2 недель блокирования задней конечности [15,20]. В течение 2 недель последующей разблокировки размер мышечных волокон был восстановлен до исходного уровня без каких-либо изменений в содержании ядер, что позволяет предположить, что добавление ядер может происходить только в мышечных волокнах, которые подвергаются росту за пределами их «базового» размера. То есть того, который заложен от природы [15,20]. Дополнительные доказательства, подтверждающие гипотезу о мышечной памяти, были получены, когда та же группа исследовала влияние индуцированного анаболическими стероидами роста мышечных волокон у самок мышей [16].

Исследователи имплантировали мышам гранулы, которые высвобождали тестостерон пропионат (или плацебо) подкожно в течение 14 дней, с физической перегрузкой или без перегрузки подошвенной мышцы digitorum longus (EDL). В ответ на стероидную терапию наблюдалось значительное увеличение размера мышечных волокон и содержания ядер как в перегруженных, так и в ненагруженных мышцах. Через неделю после отмены стероидного лечения концентрация тестостерона в крови вернулась к исходному необнаруживаемому уровню.

Когда мышца была изучена через три недели, содержание ядер оставалось на 42% выше по сравнению с группой фиктивного лечения, в то время как размер мышечных волокон вернулся к исходному уровню [16]. Когда перегрузка была введена вновь в течение 14-дневного периода, группа, которая подвергалась предыдущему стероидному лечению, показала реакцию гипертрофии мышечных волокон, которая была более чем вдвое выше по сравнению с мышами, получающими плацебо. Стероидная терапия, несмотря на отмену, изменила потенциал мышц для роста.

Аналогичные результаты наблюдались и при введении 6-дневного периода физической перегрузки через 3 месяца (что составляет около ~12% от продолжительности жизни мыши) после удаления имплантата, высвобождающего тестостерон пропионат, у этих мышей [16]. Хотя гипертрофия мышечных волокон была обратимой в этой модели, предыдущее гипертрофическое состояние, по-видимому, передавало длительный отпечаток на мышечные волокна в виде повышенного количества ядер, что способствовало способности быстрее восстанавливать мышечную массу во время последующего стимула от физической перегрузки. Другими словами, один эпизод использования анаболических стероидов может оказывать длительное, если не постоянное, влияние на способность мышц (повторно) расти во время тренировки. Если абстрагироваться от теоретических рассуждений о том, можно ли считать спортсмена "чистым", если он когда-то ранее уже использовал допинг и отказался от его приема, то можно увидеть в этом несомненный плюс. Миоядерное постоянство от предшествующих тренировок теоретически может улучшить стратегии лечения для борьбы с потерей мышечной массы в более позднем возрасте, независимо от того, связано ли это со старением как таковым (т. е. саркопения), или как следствие различных негативных клинических состояний.

Однако важно отметить, что еще предстоит установить, сопровождается ли возрастная атрофия мышечных волокон (очевидно, представляющая собой процесс, происходящий в течение длительного периода времени) сопутствующей потерей содержания ядер, как об этом сообщали некоторые исследователи.

В целом, хотя для объяснения очевидных расхождений в литературе требуется больше исследований, существующие данные исследований на животных определенно дают простор для возможности того, что клеточные ядра, полученные ранее в жизни во время мышечных гипертрофических эпизодов , могут, по крайней мере частично, сохраняться для стимулирования роста мышечной ткани в жизни позже.

Являются ли исследования на мышах сопоставимыми с человеческими?

В то время как исследования на животных, описанные выше, дают ценное биологическое понимание, перевод результатов в человеческие условия in vivo остается сложной задачей. В конце концов, как изящно описал Деметрий, «мыши-это не просто маленькие человечки» [18].

Например, временные рамки, в которых различные модели на животных вызывают тяжелую мышечную атрофию (40% -50% потеря массы мышечной ткани в течение 2-3 недель) и/или гипертрофию (40% -50% увеличение массы мышечной ткани в течение 2-3 недель), - это то, что явно не происходит у людей.

В качестве примера, одна исследовательская группа последовательно продемонстрировала, что площадь поперечного сечения четырехглавой мышцы увеличивается всего на 6% -10% после 12 недель прогрессивной тренировки с сопротивлением. [10, 21-25]. Кроме того, хирургическая процедура, необходимая для стимуляции атрофии/гипертрофии у грызунов, является стрессовой и может вызвать устойчивый иммунный ответ или вызвать дегенерацию/регенерацию мышечных волокон. Наконец, в то время как перегрузка, вызванная синергической абляцией у животных, обеспечивает постоянный стимул, тренировка с физическими упражнениями у людей характеризуется относительно короткими эпизодами анаболических стимулов, чередующихся с последующими периодами восстановления.

В попытке решить некоторые из этих вопросов был проведен ряд исследований на животных, которые были направлены на то, чтобы напоминать более физиологическую ситуацию тренировки, приближенную к человеку. Исследование Lee et al [26] для оценки изменения мышечной массы/размера волокон и содержания ядер (одиночных волокон и поперечных сечений мышц) после 8 недель «так называемой предварительной тренировки», за которой следуют 20 недель периода детренированности и 8 недель последующей переподготовки, использовался вариант взвешенного «подъема по лестнице Джейкобса» для грызунов. Предварительная подготовка привела к значительному увеличению мышечной массы / размер волокон и содержание ядер в мышце Flexor Hallucis Longis (FHL) [26]. В течение последующего периода детренированности мышечная масса/размер волокон были потеряны, но содержание клеточных ядер оставалось неизменным. Во время переподготовки и увеличение мышечной массы/размера волокон (+14,8%) было значительно больше по сравнению с предтренировочным периодом, без дальнейшего увеличения содержания ядер, что во многом соответствует парадигме мионуклеарного постоянства.

Однако контрастные результаты были представлены Dungan et al (27). Исследователи подвергали мышей 8-недельному прогрессивному взвешенному бегу на колесе, чтобы вызвать гипертрофию мышечных волокон, а затем перешли 12-недельному последующему периоду детренированности. Здесь авторы показали значительную (17%) гипертрофию мышечных волокон и ядерную аккрецию (~30%) в области мышцы plantaris после первых 8 недель тренировок с физическими упражнениями. В течение последующих 12 недель детренированности размер мышечных волокон и содержание ядер вернулись к исходному уровню. Содержание ядер оценивали как по отдельным мышечным волокнам, так и по поперечным срезам мышц, в которых сателлитные клетки исключались из числа учитываемых ядер. К сожалению, ни окончательная «переподготовка», ни какие-либо измерения апоптоза не были включены в это исследование. Можно ли объяснить эти противоречивые выводы о потере содержания ядер во время детренированности моделью, используемой для индуцирования гипертрофии мышечных волокон и ядерной аккреции, или любыми другими связанными с исследованием различиями, еще предстоит установить.

Поэтому крайне важно, чтобы эти и другие результаты обсуждались в свете наблюдений, сделанных в ходе экспериментальных исследований, проведенных на людях, а не переносились напрямую на человека.

Источники

1. Schmalbruch H. Skeletal Muscle. Berlin: Springer‐Verlag; 1985. [Google Scholar.
2. 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.
3. Strassburger E. Über die wirkungssphäre der kerne und die zelgrösse. Histol Beitr. 1893;5:91‐124. [Google Scholar]
4. Cheek DB. The control of cell mass and replication. The DNA unit–a personal 20‐year study. Early Hum Dev. 1985;12(3):211‐239.
5. Hall ZW, Ralston E. Nuclear domains in muscle cells. Cell. 1989;59(5):771‐772.
6. Pavlath GK, Rich K, Webster SG, Blau HM. Localization of muscle gene products in nuclear domains. Nature. 1989;337(6207):570‐573.
7. Gundersen K, Bruusgaard JC. Nuclear domains during muscle atrophy: nuclei lost or paradigm lost? J Physiol. 2008;586(11):2675‐2681.
8. Gundersen K, Bruusgaard JC, Egner IM, Eftestol E, Bengtsen M. Muscle memory: virtues of your youth? J Physiol. 2018;596(18):4289‐4290.
9. Petrella JK, Kim JS, Cross JM, Kosek DJ, Bamman MM. Efficacy of myonuclear addition may explain differential myofiber growth among resistance‐trained young and older men and women. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2006;291(5):E937‐946.
10. Snijders T, Smeets JS, van Kranenburg J, Kies AK, van Loon LJ, Verdijk LB. Changes in myonuclear domain size do not precede muscle hypertrophy during prolonged resistance‐type exercise training. Acta Physiol (Oxf). 2016;216(2):231‐239
11. Snijders T, Nederveen JP, McKay BR, et al. Satellite cells in human skeletal muscle plasticity. Front Physiol. 2015;6:283.
12. Schwartz LM. Skeletal muscles do not undergo apoptosis during either atrophy or programmed cell death‐revisiting the myonuclear domain hypothesis. Front Physiol. 2018;9:1887.
13. Dirks AJ, Leeuwenburgh C. The role of apoptosis in age‐related skeletal muscle atrophy. Sports Med. 2005;35(6):473‐483.
14. Allen DL, Roy RR, Edgerton VR. Myonuclear domains in muscle adaptation and disease. Muscle Nerve. 1999;22(10):1350‐1360.
15. Bruusgaard JC, Egner IM, Larsen TK, Dupre‐Aucouturier S, Desplanches D, Gundersen K. No change in myonuclear number during muscle unloading and reloading. J Appl Physiol. (1985). 2012;113(2):290‐296.
16. Egner IM, Bruusgaard JC, Eftestol E, Gundersen K. A cellular memory mechanism aids overload hypertrophy in muscle long after an episodic exposure to anabolic steroids. J Physiol. 2013;591(24):6221‐6230.
17. Booth FW, Thomason DB. Molecular and cellular adaptation of muscle in response to exercise: perspectives of various models. Physiol Rev. 1991;71(2):541‐585.
18. Demetrius L. Of mice and men. When it comes to studying ageing and the means to slow it down, mice are not just small humans. EMBO Rep. 2005;6 Spec No: S39‐44.
19. 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.
20. Jackson JR, Mula J, Kirby TJ, et al. Satellite cell depletion does not inhibit adult skeletal muscle regrowth following unloading‐induced atrophy. Am J Physiol Cell Physiol. 2012;303(8):C854‐861
21. Snijders T, Res PT, Smeets JSJ, et al. Protein ingestion before sleep increases muscle mass and strength gains during prolonged resistance‐type exercise training in healthy young men. J Nutr. 2015;145(6):1178‐1184. [PubMed] [Google Scholar]
22. Verdijk LB, Jonkers RAM, Gleeson BG, et al. Protein supplementation before and after exercise does not further augment skeletal muscle hypertrophy after resistance training in elderly men. Am J Clin Nutr. 2009;89(2):608‐616. [PubMed] [Google Scholar]
23. Holwerda AM, Overkamp M, Paulussen KJM, et al. Protein supplementation after exercise and before sleep does not further augment muscle mass and strength gains during resistance exercise training in active older men. J Nutr. 2018;148(11):1723‐1732. [PubMed] [Google Scholar]
24. Leenders M, Verdijk LB, van der Hoeven L, van Kranenburg J, Nilwik R, van Loon LJ. Elderly men and women benefit equally from prolonged resistance‐type exercise training. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2013;68(7):769‐779. [PubMed] [Google Scholar]
25. Leenders M, Verdijk LB, Van der hoeven L, et al. Protein supplementation during resistance‐type exercise training in the elderly. Med Sci Sports Exerc. 2013;45(3):542‐552.
26. Lee H, Kim K, Kim B, et al. A cellular mechanism of muscle memory facilitates mitochondrial remodelling following resistance training. J Physiol. 2018;596(18):4413‐4426.
27. 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.