FATTORI CHE INFLUENZANO LO SVILUPPO E

MANTENIMENTO DELLA MASSA MUSCOLARE

Plasticità del muscolo scheletrico

COMPOSIZIONE TIPI DI FIBRE

FORZA SVILUPPATA

CAPACITA’ METABOLICHE

RESISTENZA FATICA

VELOCITA’ DI CONTRAZIONE

IIx IIa I

Plasticità del muscolo scheletrico

COMPOSIZIONE TIPI DI FIBRE

% fibre lente in rapporto a specialità sportiva

Dipendenti da proprietà genetiche ed acquisite

Trasformazione di fibre con l’allenamento

SLOW in FAST

I>IIa>IIx

Modificazione % dei tipi di fibre

Sollecitazione con esercizi veloci e brevi

Aumento del carico

ipertiroidismo

Significato: potenziamento capacità di potenza in muscoli che non lavorano di resistenza

Trasformazione di fibre con l’allenamento

FAST in SLOW

Modificazione % dei tipi di fibre

attività muscolare di resistenza

<carico

ipotiroidismo

Significato: Potenziamento della resistenza come supporto ad un lavoro di lunga durata

Gli stimoli elettrici non si limitano ad innescare la

contrazione della fibra ma inducono segnali

intracellulari che portano a modificazioni di pattern

di espressione Genica responsabili di trasformazione

Fenotipica delle fibre

Muscoli nell’anziano

<fast IIx IIa (per perdita cellulare per diversi fattori, come morte motoneuroni)

>slow in %

L’esercizio tende a contrastare questo fenomeno riducendo la morte

ATROFIA

Alterazioni composizione <forza

Plasticità del muscolo scheletrico

FORZA SVILUPPATA

Sia i fattori nervosi che muscolari Implicati nel potenziamento della forza

sono definiti geneticamente e modificabili con l’allenamento specifico

Incremento di Forza

MUSCOLARI NERVOSI

Nervosi

Reclutamento

Unità motorie

>facilitazione

>attività aree motorie

>sincronizzazione unità

<inibizioni spinali

<inibizione afferenze Golgi

Stato psicologico

TETANO

IIx

FATTORI MUSCOLARI

SOVRACCARICO-SOLLECITAZIONE

IPERTROFIA MUSCOLARE

AUMENTO DIMENSIONE

SINGOLE FIBRE

MIOFIBRILLE

SARCOMERI

ATP

CP

Glicogeno

>

Capillari

Mitocondri

enzimi

<

POTENZIAMENTO FORZA Plasticità muscolare

Allenamenti per sviluppare forza

Componente muscolare

Sollevamenti pesi

Contrazioni isometriche

Contrazioni isotoniche (concentriche-eccentriche)

PLASTICITA’ MUSCOLARE

CONTRIBUTO dei FATTORI CHE INFLUENZANO LA FORZA

MUSCOLARE

quali fattori e meccanismi sono coinvolti

nell’ipertrofia muscolare?

IGF-I

FGF-2

Citochine (IL-s;CTNF,TNF)

FATTORI TROFICI

PLASTICITA’ MUSCOLARE

Stimolo specifico: meccanico da sovraccarico o stretch induce

espressione genica di Fattori trofici (autocrina e paracrina azione)

Sintesi proteica:

Androgeni

GH

Beta-adrenergici

IPERPLASIA MUSCOLARE

Proliferazione da cellule satelliti (cellule staminali?)

AUMENTO NUMERO DI FIBRE

PLASTICITA’

MUSCOLARE

Rigenerazione del muscolo scheletrico

Eventi

cellulari e

molecolari

regolanti

l’attivazione

delle cellule

satelliti

Muscolo lesionato

Lesione e processo di

rigenerazione nel

muscolo scheletrico

Muscolo intatto

Attivazione di cellule satelliti

Dopo danno delle fibre

PROLIFERAZIONE E

DIFFERENZIAMENTO DI

CELLULE SATELLITI

IDENTIFICAZIONE E FUNZIONE DI UNA NUOVA CONNESSINA

(Cx39) ESPRESSA DURANTE LO SVILUPPO

ED IL PROCESSO DI RIGENERAZIONE DEL MUSCOLO

SCHELETRICO

Connessina

Connessone

Gap junctions

5' UTR

EXON I

INTRON

EXON II

3' UTR

520 bp 71 bp 2.440Kb 1092 1425 bp bp

Human 10

5' UTR

EXON I

INTRON

EXON II

3' UTR

3.540 Kb

GeneCx39Mouse Chr 18

GeneCx40.1 Chr

71 bp 1070 bp

Localizzazione cromosomica della mCx39 e della

hCx40.1

NT

CT

NTCT NT

CT

Cx43 Cx32 Cx36

Group Group Group

E1 E2

I

I

I

E1 E2 E1 E2

M1 M2 M3 M4

LA REGIONE AMMINO-TERMINALE e LA CARBOSSI-TERMINALE SONO

CITOPLASMATICI;

QUATTRO TRATTI TRANSMEMBRANA;

UN LOOP CITOPLASMATICO (I) E DUE LOOPS EXTRACELLULARI (E1 e

E2)

E21

Immunoistochimic

a con anticorpi

anti-miogenina

utilizzata per

marcare il tessuto

muscolare.

La figura mostra

che le aree marcate

con Cx39 nella

sezione di

embrione (frecce)

corrispondono al

tessuto muscolare

scheletrico

(riquadri).

m. addominali m. arto posteriore

m. dorsali

Delaminazione : Pax3 c-met

: Pax3, c-met, Mox2, Msx1, Six, (Myf5, MyoD)

: Myf5

Myogenin, (MyoD, Mrf4), Mef2 Six ...

:

MyoD

Migrazione c-met/HGF, Lbx1

?

,

,

Proliferazione

Determinazione

Differenziamento :

Tubo Neurale

Arto

dorsale

ventrale

miotomo

dermomiotomo

Rappresentazione schematica dello sviluppo del muscolo

scheletrico nell’arto posteriore

mioblasti

fusione di

miociti miotubi miofibre

Cx39

Cx39

Muscolo lesionato

Lesione e processo di

rigenerazione nel

muscolo scheletrico

Muscolo intatto

A B

C D

Cx39

Espressione di

Cx39 RNAm in

raggruppamenti

cellulari

corrispondenti a

diverse fasi del

processo di

rigenerazione

del muscolo

9° giorno dalla lesione

Cx39

A

B C

D E

F G

Cx39 miogenina

Colocalizzazion

e di Cx39 in

cellule

miogenina

positive nel

muscolo al 9°

giorno dalla

lesione

Potenziale ruolo

della Cx39 nel

processo di fusione

dei miociti

DOPO ESERCIZIO INTENSO

IN SOGGETTI

SEDENTARI O ESERCIZIO

MAI ESEGUITO, SPECIE SE ECCENTRICO,

SI GENERA DOLORE E RIGIDITA’

MUSCOLARE DOVUTI A LESIONI

MUSCOLARI E A PROCESSI

INFIAMMATORI CHE INNESCANO LA

RIGENERAZIONE-RIPARAZIONE

DEL MUSCOLO

ESERCIZI CON SOVRACCARICO

RESPONSABILI DI DANNO E SUCCESSIVA

RIPARAZIONE PER ATTIVAZIONE DI

SPECIFICI PATTERNS DI GENI

MOLTO SIMILI A QUELLI OPERANTI

DURANTE LO SVILUPPO EMBRIONALE

DEL MUSCOLO

STIMOLO EFFICACE PER L’IPERTROFIA MUSCOLARE

CONCLUSIONE:

Patologie muscolari

E

Prospettive di trattamenti

Cellule staminali

Plasticità del muscolo scheletrico

VELOCITA’ DI CONTRAZIONE

velocità di contrazione

Nervosa

Muscolare

ESERCIZI A CONTRAZIONE ECCENTRICA

O STIRAMENTI MUSCOLARI

INDUCONO ALLUNGAMENTO DELLE FIBRE

PER ATTIVAZIONE DI CELLULE SATELLITI CHE

RIPRODUCONO UNA CRESCITA DELLE FIBRE IDENTICA

A QUELLA DELLO SVILUPPO POSTNATALE

INCREMENTO VELOCITA’ DI CONTRAZIONE

L’ATTIVITA’ NEUROMUSCOLARE E’ INDISPENSABILE

PER LO STATO TROFICO NEUROMUSCOLARE

LA RISPOSTA TROFICA MUSCOLARE

SI ACCOMPAGNA AD UNA MODIFICAZIONE

TROFICA DEL MOTONEURONE

La sollecitazione funzionale neuromuscolare induce un trofismo sia

muscolare che nervoso dipendente da fattori trofici prodotti dal

motoneurone o dal muscolo

Fattori neurotrofici BDNF-GDNF-NT-4

-Sopravvivenza fibre e trofismo giunzione sinaptica

- Sopravvivenza e trofismo motoneurone

PLASTICITA’ MUSCOLARE

Stimolo specifico: attività muscolare o denervazione

NT-4 induce sprouting

nei motoneuroni

DENERVAZIONE MUSCOLARE

E RECUPERO FUNZIONALE

- Sopravvivenza muscolare e nervosa

-Riparazione-reinnervazione

-Effetti dell’esercizio

IGFs TGFb, FGF-2, NT-4

nu

mb

er

of n

eu

rom

uscu

lar

jun

ctions

en

dp

late

dia

me

ter

(mm

)

wild

type

NT-4

KO

0 10

20 30 40 50 60 70 80 90

100

***

0

5

10

15

20

25

30

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 endplate diameter ( m)

wild type NT-4 KO

number of discrete AChR regions 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

10

20

30

40

5

15

25

35

10 11 12 13 14 15 16 17 nu

mb

er

of n

eu

rom

uscu

lar

jun

ctions

wild type NT-4 KO

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

nu

mb

er

of d

iscre

te A

ChR

re

gio

ns

***

wild

type

NT-4

KO

A B

C

wild type KO NT-4

Disassemblaggio dei recettori nicotinici nella giunzione neuromuscolare del

muscolo soleo di topi KO-NT-4

merged AChRs terminals

n

KO

NT-4

Normale innervazione dell’area recettoriale

Wild

type

NT-4 TrkB

muscle

fiber

motor

nerve

•neurotransmitter release

•synapse maintenance

•nerve sprouting

•maintenance of AChR clusters

•AChR and AChE levels

•sustained EMG and PTP

•resistance to fatigue ACTIVITY

Attività bidirezionale della NT-4 nella giunzione neuromuscolare

Plasticità del muscolo scheletrico

CAPACITA’ METABOLICHE

RESISTENZA FATICA

Rimodellamento-adattamento nei muscoli

di allenati in attività aerobiche

- lieve ipertrofia (a carico delle rosse)

->contenuto di mioglobina

-> di mitocondri ed enzimi ossidativi

->dei capillari

Rimodellamento-adattamento

nei muscoli di allenati in attività

anaerobiche o di potenza?

- ipertrofia (a carico delle pallide)

->contenuto di glicogeno

>ATP CTP

-> enzimi specifici

-<dei capillari in rapporto alla massa

DEALLENAMENTO

Perdita dell’ipertrofia e

scomparsa dei potenziamenti del metabolismo

FATICA MUSCOLARE

(RIDUZIONE DI FORZA?

INCAPACITA’ A COMPLETARE L’ESERCIZIO?

Componente nervosa Componente Muscolare

SNC

SPINALE

SINAPTICO

Resistenza

<glicogeno

Potenza rapida

<pH

<ATP

<glicogeno

Cardiovascolare

respiratoria

Fatica generale

L’allenamento potenzia la resistenza

riducendo le cause della fatica

Attività fisica ed effetti sul muscolo scheletrico

-trasformazione fenotipo fibre

-iperplasia

-Ipertrofia

-potenziamento apparato metabolico

-vascolarizzazione

-velocizzazione

-resistenza fatica

La qualità e la quantità degli adattamenti

Nel muscolo sono superiori a qualsiasi

Adattamento osservabile in altri apparati

Perdita progressiva

di tutti gli adattamenti

Strutturali e funzionali

per cessata sollecitazione

CONCLUSIONI

L’attività muscolare o esercizio ha effetti sul cervello?

Per giocare a tennis impieghiamo diverse aree del cervello

Exercise: a behavioral intervention to enhance brain health and plasticity.

Cotman CW, Berchtold NC.

Extensive research on humans suggests that exercise could have benefits for

overall health and cognitive function.

exercise can increase:

1) brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and other growth factors;

2) stimulate neurogenesis;

3) increase resistance to brain insult;

4) improve learning and mental performance;

5) Increase gene expression profiles that benefit brain plasticity processes;

Exercise could provide a simple means to maintain brain function and promote

brain plasticity.

Prog Brain Res 2000;127:35-48

Activity-dependent regulation of neuronal plasticity and self repair.

Kempermann G, van Praag H, Gage FH.

Salk Institute for Biological Studies, Laboratory of Genetics, 10010 North Torrey

Pines Road, La Jolla, CA 92037, USA.

Plasticity is an essential characteristic of the brain. The state of activation and the

level of activity of the entire organism affect the brain's plastic response. Brain

plasticity has many substrates, ranging from synapses to neurites and entire cells.

The production of new neurons is part of plasticity even in the adult and old brain,

but under normal conditions neurogenesis only occurs in two privileged regions

of the adult brain: hippocampus and olfactory system. At least in the hippocampus,

physical activity stimulates neurogenesis by acting on the proliferation of neuronal

stem cells. More specific functions such as learning may be able to recruit new

neurons from the pool of cells with neurogenic potential...

Esercizio e neuroplasticità

Motor skills training enhances lesion-induced structural plasticity

in the motor cortex of adult rats.

Quali sono le basi anatomiche che si accompagnano alle

modificazioni plastiche del cevello?

Aumento di ramificazioni neuronali

Incremento di sinapsi

Formazioni di nuovi

circuiti neuronali

Neurogenesi

Running increases cell proliferation and neurogenesis in the adult mouse dentate gyrus

Henriette van Praag et al.

Nature Neuroscience 2, 266 - 270 (1999)

NEUROGENESI NEL CERVELLO ADULTO

(morte di un dogma e rivoluzione nella concezione plastica del cervello)

Camillo Golgi 1843-1926 S. Ramon y Cajal 1852-1934

“Nel cervello adulto

tutto può morire e

niente può essere

rigenerato”

SVZ

SVZ

VL

SVZ

CELLULE STAMINALI Rilevante importanza nello sviluppo di strategie terapeutiche

per il trattamento di lesioni o malattie neurodegenerative

cerebrali

L’ampliamento plastico di funzioni cerebrali

come incide nelle esperienze nuove?

Facilita l’apprendimento

Facilita l’esecuzione

Geni e funzioni cerebrali

Singoli geni possono essere critici per alcune

abilità cerebrali. La maggior parte delle

espressioni di abilità cerebrali, specialmente

quelle complesse, sono multigeniche.

La mappa funzionale del genoma umano fornirà,

nel prossimo futuro, importanti conoscenze

sulla ereditarietà di diversi aspetti funzionali del

cervello

GENI

AMBIENTE