（本文翻譯自《科學(xué)美國人》雜志2020年1月刊文章，作者：戴維·賴希倫（David A. Raichlen）生物科學(xué)教授，南加州大學(xué)運動實驗室進(jìn)化生物學(xué)主任。研究方向是從進(jìn)化論觀點研究關(guān)于運動的生物力學(xué)和生理學(xué)。
吉恩·亞歷山大（Gene E. Alexander）心理學(xué)教授，亞利桑那大學(xué)腦成像、行為和衰老實驗室的負(fù)責(zé)人，研究方向是健康人和患有神經(jīng)退行性疾病病人的大腦老化情況。）
幾十年以來，科學(xué)界普遍認(rèn)為大腦一旦發(fā)育成熟，就無法再生長出新的神經(jīng)元來。這種觀點意味著一個人若是步入成年，大腦就只可能會失去、而不再獲得神經(jīng)元。到了上世紀(jì)九十年代，科學(xué)家們的一系列新發(fā)現(xiàn)顛覆了神經(jīng)科學(xué)的這項基本認(rèn)知：越來越多證據(jù)和事實表明成年人的大腦是可產(chǎn)生新神經(jīng)元的。在一項引人注目的老鼠實驗中，科學(xué)家們僅僅讓老鼠在轉(zhuǎn)輪上奔跑，就能注意到在海馬體中產(chǎn)生新的神經(jīng)元。而海馬體是同記憶能力相關(guān)的大腦組織。從那以后的諸多研究證實了運動對人類大腦也有積極作用，尤其是當(dāng)我們面臨逐漸衰老導(dǎo)致的大腦功能退化問題，甚至還有可能降低罹患阿爾茨海默氏癥或其他神經(jīng)退行性疾病（neurodegenerative conditions）的風(fēng)險。于是乎不可避免的，這類研究會帶出一個核心問題：運動究竟怎樣影響著大腦？
體育運動提升了身體中許多器官系統(tǒng)的功能，但功效通常表現(xiàn)在更佳的運動能力方面上，比如，健走或者跑步使得肌肉需要更多的氧。若是長期堅持走路跑步，心血管系統(tǒng)會對此做出適應(yīng)性變化：讓心臟變得更大、搭建新的血管。心血管發(fā)生的改變是為了應(yīng)對身體鍛煉帶來的挑戰(zhàn)，表現(xiàn)為具有更好的耐受能力，但鍛煉挑戰(zhàn)會引發(fā)大腦如何應(yīng)對呢？
要回答這個問題需要我們重新調(diào)整對運動的觀點。人們通常認(rèn)為健走和跑步可由著身體自動行進(jìn)，宛若無人駕駛汽車那樣不需大腦干預(yù)。但過去十年來的研究表明，這種觀點是不正確的。與此相對照的是，鍛煉似乎既是身體運動，同時也是思維認(rèn)知的運動。事實上，身體活動和大腦健康之間的這種關(guān)聯(lián)可以追溯到數(shù)百萬年前人類標(biāo)志性性狀（比如雙足行走，狩獵采集覓食模式）的起源。如果我們能更了解運動為什么能、以及以何種方式影響大腦，也許可憑借于此相關(guān)的生理途徑設(shè)計出新穎的運動模式，在一個人逐漸衰老的時候，可促進(jìn)提高其認(rèn)知能力。目前這些工作正在進(jìn)行中。
運動大腦
探究運動為什么會有益于大腦，我們首先想到的是大腦結(jié)構(gòu)和認(rèn)知能力的哪些方面對運動最為敏感。上世紀(jì)九十年代，由弗雷德·蓋奇（Fred Gage）和亨利埃特·范·普拉格（Henriette Van Praag）領(lǐng)導(dǎo)的加利福尼亞拉霍亞索克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）的研究人員，在發(fā)現(xiàn)跑動會增加小鼠新的海馬神經(jīng)元生成時候，他們注意到似乎一種名為腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）蛋白質(zhì)的產(chǎn)生與此過程相關(guān)，BDNF因子在大腦和整個身體中都可以分泌，它能促進(jìn)新生神經(jīng)元的生長和存活。索克的研究人員和其他科學(xué)家們隨后進(jìn)一步證明，運動誘發(fā)的神經(jīng)發(fā)生（exercise-induced neurogenesis）可以提升嚙齒類動物在與記憶相關(guān)的任務(wù)中的表現(xiàn)。這些研究發(fā)現(xiàn)之所以令人驚訝，是因為在身體健康人的衰老過程中，海馬體的萎縮與記憶力衰退有著廣泛的聯(lián)系，特別是那些患有患有阿爾茨海默氏癥等神經(jīng)退行性疾病的人群中，海馬體萎縮的程度更大。嚙齒動物身上的重大發(fā)現(xiàn)為明白運動如何對抗這種衰退提供了初步的線索。
動物研究完成后，科學(xué)家們將注意力放在對人類的調(diào)查研究上：確認(rèn)了和嚙齒類動物一樣，有氧運動也會導(dǎo)致人體內(nèi)BDNF因子的分泌增強，并以增大體積和加強連通性的方式改善了大腦關(guān)鍵區(qū)域的結(jié)構(gòu)，其中就包括海馬體。柯克·埃里克森(Kirk Erickson)和亞瑟·克萊默(Arthur Kramer)在伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)進(jìn)行了一項隨機試驗，結(jié)果顯示，12個月的有氧運動可讓老年人的BDNF因子分泌水平升高、海馬體積增大、記憶力改善。
其他研究人員在多項調(diào)查研究中也發(fā)現(xiàn)了運動與海馬體之間的關(guān)聯(lián)。我們自己做出的一項針對英國七千多名中老年人的研究表明，那些花費更多時間從事劇烈運動的人，其海馬體的體積會更大。雖然現(xiàn)在尚無法明確該效應(yīng)是否與神經(jīng)發(fā)生（ neurogenesis ）及其他形式的大腦可塑性相關(guān)，比如可能會增加現(xiàn)有的神經(jīng)元直接的鏈接，而不是增加了新的神經(jīng)元，但無論如何結(jié)果是明確無誤的，那就是積極鍛煉身體有益于提高大腦的海馬體功能及認(rèn)知能力，這項研究成果發(fā)表在2019年的《大腦成像與行為》（Brain Imaging and Behavior）雜志上。
研究人員還記錄到了有氧運動與大腦其他部位收益的明確關(guān)聯(lián)，包括可擴張位于前額后面的前額皮質(zhì)（prefrontal cortex），大腦這個區(qū)域活動能力的增強與更敏銳的執(zhí)行認(rèn)知功能相關(guān)，包括制定計劃、執(zhí)行決策和處理并發(fā)多任務(wù)能力等方面。和記憶力一樣，這些功能會隨著人的正常衰老而下降，對于罹患在阿爾茨海默氏癥的人下降程度會更甚。對此科學(xué)家們推測，運動鍛煉對前額葉皮層和海馬體外其他大腦區(qū)域功能提升的原因是現(xiàn)有的神經(jīng)元直接聯(lián)絡(luò)增強，而非誕生了新的神經(jīng)元。
更勤快更積極
越來越多的證據(jù)表明，有氧運動可以促進(jìn)大腦健康，尤其是對老年人而言。下一步需要厘清運動鍛煉帶來的認(rèn)知挑戰(zhàn)究竟為何，從而觸發(fā)身體對之的這種適應(yīng)性反應(yīng)。從一開始我們就認(rèn)為研究大腦和身體之間的進(jìn)化關(guān)系可能是個不錯的開端，在六百萬到七百萬年前，古人類（Hominins，包括現(xiàn)代人類和我們已經(jīng)滅絕的近親）從我們的近親黑猩猩和倭黑猩猩的血統(tǒng)中分離出來。在那個時候，古人類進(jìn)化出了許多解剖學(xué)和行為學(xué)上的適應(yīng)，使我們區(qū)別于其他靈長類動物。我們認(rèn)為其中的兩個進(jìn)化變化，特別是將運動鍛煉綁定到了大腦功能提升上，這為人類物種帶來了生存優(yōu)勢，而且至今還在發(fā)揮作用。
首先，我們的祖先從四肢行走轉(zhuǎn)變?yōu)橹挥煤笸戎绷⑿凶摺＿@種兩足行走的姿勢意味著有時候我們的全部身體需要立在單只腳上而保持一種不穩(wěn)定平衡，而其他四足行走的猿類使用兩肢或者四肢想保持平衡就容易多了。為了完成這項任務(wù)，我們的大腦必須處理大量信息，并在此過程中調(diào)整整個身體的肌肉活動，以維持這種動態(tài)的平衡。在協(xié)調(diào)這些行動的同時，我們還得對抗任何可能的環(huán)境障礙。換句話說，僅僅因為是雙足動物，我們的大腦可能比我們的四足動物祖先在認(rèn)知上遭受到更大更艱難得多的挑戰(zhàn)。
其次，人類的生活方式（hominin way of life）變成了需要融入更高水平的有氧運動。化石證據(jù)表明，在人類進(jìn)化的早期階段，我們祖先很可能是久坐不動的雙足行走猿，因為主要食物是伸手可取的植物。然而到了大約兩百萬年前，隨著棲息地氣溫降低和更干燥，至少有部分人類祖先就開始了全新的覓食方式，即狩獵動物和采集植物性食物。狩獵和采集在人類生存歷史長河中主導(dǎo)了兩百萬年之久，直到大約一萬年前才出現(xiàn)了農(nóng)牧業(yè)。杜克大學(xué)的赫爾曼·龐澤（Herman Pontze）和洛杉磯加利福尼亞大學(xué)的布萊恩·伍德（Brian Wood）的研究表明，由于在尋找食物的過程中動輒要長途跋涉，狩獵和采集所需要的有氧運動水平比其他類人猿要高得多。
從食物坐等天降到需要辛苦地四處采覓，這種需要更多活動量的生活模式轉(zhuǎn)變，也對大腦的功能增強提出更高要求。在遠(yuǎn)處覓食時，狩獵采集者要隨時觀察了解周圍環(huán)境情況，以明確自己所處的位置。這種空間導(dǎo)航能力需要依賴海馬體，海馬體正是能從運動鍛煉中受益的大腦區(qū)域。隨著年歲的衰老，大腦會趨于萎縮。不僅如此，祖先們還要依靠視覺和聽覺系統(tǒng)獲得的感官信息、掃描地形以尋找食物的各種跡象。他們必須要記住以前去過哪里，什么時候能獲得什么樣的食物。大腦利用這些來自短期和長期的記憶信息，使我們的祖先能夠做出決策并規(guī)劃行動路線，這所涉及的認(rèn)知任務(wù)，就要由海馬體、前額葉皮層以及其他大腦區(qū)域的來完成，狩獵采集者也經(jīng)常會集體覓食，在這種情形下，大腦除了完成保持身體平衡、獲知空間位置外，還要和同伴進(jìn)行信息交流，所有這些并發(fā)多任務(wù)在一定程度上受到前額皮層的控制。隨著年歲的增長，前額葉皮層也會逐漸減少。
盡管任何覓食動物（foraging animal）都必須具有導(dǎo)航能力，并能發(fā)現(xiàn)哪里可以找到食物，但我們的狩獵采集祖先還得在超過20千米的急行軍中執(zhí)行這些任務(wù)，在高速運動中，處理并發(fā)多任務(wù)變得愈發(fā)困難，并需要更強大的信息處理能力。從進(jìn)化的角度來看，在覓食期間和覓食之后，大腦準(zhǔn)備好應(yīng)對一系列挑戰(zhàn)，最大限度地提高成功覓食的機會，這是有重大生存意義的。但是，建立和維持這樣一個大腦所需的生理資源（包括那些支持新神經(jīng)元的誕生和存活的資源）則會消耗寶貴的身體能量，這意味著如果不經(jīng)常利用這個機制，我們可能會喪失這個益處。
我們發(fā)表在2017年《神經(jīng)科學(xué)趨勢》（Trends in Neurosciences）雜志的一篇文章詳盡論述了這種運動鍛煉和大腦功能所涉及的進(jìn)化神經(jīng)科學(xué)內(nèi)容，它給當(dāng)今的人類留下了深刻的影響。進(jìn)入現(xiàn)代社會后，我們已不再借助有氧運動才能尋覓賴以生存的食物，通常在年歲變老時發(fā)生的大腦萎縮，及因之而來的認(rèn)知能力下降，可能與我們久坐不動的生活習(xí)慣密切相關(guān)。
然而，單純增加運動量來發(fā)揮體育運動的潛力，達(dá)到防治大腦功能衰退目的也不大現(xiàn)實。事實上，我們的研究模型表明，即使那些每天進(jìn)行大量有氧運動的人也需要重新評估他們的日常生活模式，很可能我們的運動模式并非能充分利用進(jìn)化而來的、可維持大腦功能良好的機制。想想我們許多人進(jìn)行有氧運動的方式：在健身房使用固定的鍛煉器械機械版的操練，可能需要的最大認(rèn)知挑戰(zhàn)就是給健身房電視選個頻道。這種運動方式弱化了身體時刻保持平衡和隨時改變速度的要求，無法再現(xiàn)狩獵采集生活模式中那種環(huán)境情況隨時發(fā)生變化，因而對認(rèn)知能力形成重大挑戰(zhàn)的情形。
我們的祖先完全是在一個不可預(yù)知的世界當(dāng)中完成了進(jìn)化，所以有著單一固定節(jié)奏和模式的運動可能不會帶來大腦認(rèn)知能力的提升。若是變革我們的鍛煉模式，包括增加認(rèn)知力方面的挑戰(zhàn)，就如同我們狩獵采集的祖先時刻遇到和處理的復(fù)雜情況變化那樣，也許可以在衰老過程中旨在增強認(rèn)知能力的運動療法功效，甚至可能縮短神經(jīng)退行性疾病（例如阿爾茨海默氏病）的病程。
動身體，動大腦
當(dāng)下，越來越多的研究表明，和完全沒有伴隨認(rèn)知活動的運動相比，能刺激認(rèn)知的運動更有益于保持大腦的機能。例如，德國德累斯頓再生療法中心（Center for Regenerative Therapies Dresden）的蓋德.肯珀曼(Gerd Kempermann)和他的同事曾以小鼠為研究對象做了這樣一個對照實驗，一組小鼠進(jìn)行簡單的運動，另一組小鼠除了做運動，還要對變化的周圍環(huán)境做出應(yīng)激反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，和對照組相比，這兩組運動小鼠的海馬體都得到了改善，然而那組將體育運動和認(rèn)知需求結(jié)合的小鼠大腦功能會更好，因為生成了更多全新的神經(jīng)元。無論運動時，還是運動后開動大腦似乎還可以提高神經(jīng)元的存活率。
我們和其他科學(xué)家們最近將這種研究從動物擴展到人類身上，取得令人歡欣鼓舞的成果。研究人員一直在探索將運動和認(rèn)知挑戰(zhàn)結(jié)合起來，應(yīng)對個體認(rèn)知能力顯著下降的問題。例如，紐約州斯克內(nèi)克塔迪聯(lián)合學(xué)院（Union College in Schenectady, N.Y.）的凱.安德森·漢利（Cay Anderson Hanley），對輕度認(rèn)知障礙（這是一種與阿爾茨海默氏癥風(fēng)險增加相關(guān)的疾病）患者同時進(jìn)行運動鍛煉和挑戰(zhàn)認(rèn)知能力的結(jié)果進(jìn)行了測試。固然在得出任何確定的結(jié)論之前，還需要在這類人群中做更多的科研工作，但到目前為止的研究表明，那些已經(jīng)有一些認(rèn)知衰退癥狀的人，在玩一個對聚精會神要求很高的電子游戲時，大腦可能會從中受益。在對健康成年人的研究中，.安德森·漢利和她的同事也得出結(jié)論，在運動鍛煉的同時玩一個具有認(rèn)知挑戰(zhàn)性的電子游戲可能比單純運動鍛煉更能增加循環(huán)BDNF（circulating BDNF）。這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實了BDNF因子在運動鍛煉誘導(dǎo)提高大腦認(rèn)知能力所起的作用。
人的認(rèn)知能力往往會隨年齡增長而衰退，給生活帶來諸多不便。在我們自己的研究工作中開發(fā)了一款游戲，專門用來挑戰(zhàn)大腦的認(rèn)知能力。在游戲中，玩家在以中等水平有氧運動的強度騎行單車的同時，還在行程導(dǎo)航中完成注意力和記憶力的任務(wù)挑戰(zhàn)。為了評估這種模式對提升老年人認(rèn)知水平的潛力，我們分成了四個對照組，分別為玩游戲時鍛煉組、玩游戲時不鍛煉組，不鍛煉也不玩游戲組和只看自然風(fēng)光視頻組。截至目前的積極效果是顯著的。
其他許多科學(xué)研究小組也在檢驗運動鍛煉的同時刺激認(rèn)知水平對大腦能力的積極效果，相信不久的將來，我們可以更好的了解提高大腦認(rèn)知能力的機制，找出最好的方式增強健康的人和那些經(jīng)歷了認(rèn)知衰退的人的認(rèn)知能力。
