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在神经科学的意义上，你可以把闹钟想象成扔出去的一块石头。如果扔得足够用力，那即使是很小的一块石头也能产生至关重要的涟漪。如果这个噪音（投掷）足够响，便可以通过正常的感觉通路激活一个联结紧密、与听觉相关的脑细胞枢纽（石头），这一过程如此有力，以至于会产生一种更加广泛的细胞联合，也就是短暂产生一个集合（涟漪）。任何具有功能正常的听觉系统的动物，无论在任何的年龄段或任何文化背景下，都会被巨大的噪音从睡梦中拽出来，推进某种意识之中。随之产生的意识类型是一个全新的问题，并不是我们目前要考虑的内容，此处关键的因素仅仅是这个触发——石头的大小以及投掷的力度将最终决定涟漪的广度。
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如果说投掷石头的力度（闹钟的响度）由外部因素所决定，那石头的大小则取决于我们所研究的个体大脑的内部结构。在任何物种中（特别是在更为复杂的动物身上，如我们自己），个体脑细胞固有枢纽的结构和连接可能是决定下一个重要变量（对应于“石头大小”的神经系统）的关键。随着我们大脑的发展，这种连接将被我们对外界世界的体验所塑造。正如我们之前所了解的，你的体验近乎在字面意义上在你脑中留下印记的现象被称为“可塑性”。
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在所有物种的大脑中，都会有神经元被传入的感觉信息不同强度地激活（投掷石头时所用力气的不同）。但固有枢纽中的神经元数量（石头的大小），却根据这种动物大脑中神经元特殊的结构和联系而独立变换着。这就意味着相同 的声音或景象以相同 的强度作用于感觉器官，将会在不同的大脑中产生不同的效果，这是因为石头的大小各不相同，即在固有枢纽中能被激活的神经元细胞数不同。而反过来，固有枢纽的广度也将取决于另一个关键因素：个体早年与所处环境的互动。我们所讨论的物种越复杂，其自身经历在大脑中留下印刻的能力越强，而石头大小的可变性也越大。那么让我们再来想一下那个被扔进水中的石头吧：不必像野蛮的闹钟一样那么用力地投掷，相反，宽广涟漪的产生可能仅仅是因为扔进水中的石头很大。用神经科学的语言来说就是：通过持久、稳定的联系，脑细胞枢纽逐渐扩大，这一过程反过来也被开拓大脑可塑性的个体经验所驱使着。
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这种在体验驱动下脑内细胞联系的增长（也就是石头的变大），同样可以发生在非人类物种中，只是增长的程度要小得多。以成年老鼠为例，一只老鼠的母亲对这只老鼠来说可能不会有什么持久的个体意义，但其对周围环境所产生的特殊体验一般都将会在这只老鼠的大脑中留下印记。如果在实验室中检验这种效果，常用的一种方法是创建一个所谓的“富足的环境”。对老鼠来说，“富足”并不意味着要让它们从镶满珠宝的储料器中吃进口的食物，或是住在金笼子里。这里的“富足”意味着环境要尽可能多地刺激老鼠的大脑。因此，如果你想给予老鼠最大的刺激，所要做的就是确保它有机会对各种不同的新奇对象进行高度探索性的体验（见图5）。
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尽管无论是在现实还是在虚构中，老鼠普遍被妖魔化，但事实上老鼠是一种充满好奇心且很有智慧的生物，并且即使只有一半的可能性，它们也会对它们所处的环境进行探索。相应地，它们的大脑也反映了这种生活方式。这种在丰富的环境中依赖于经验 的可塑性在20世纪40年代被首次研究证实。当时，前文中提到的唐纳德·赫布将实验室中的大鼠带回了家，让它们可以体验一种全新的交互式环境，这与它们在实验室中所待的笼子完全不同。数周后，与那些不幸地依然生活在普通笼子里的控制组大鼠相比，赫布家中这些“放养”的大鼠表现出了卓越的问题解决能力。
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图5：一个为大鼠准备的典型的“丰富”环境（来自Devonshire, Dommett和Greenfield，未发表）。
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然而，神经元回路在接受刺激后会发生真实的生理改变，这一显而易见的事实直到几十年后才被直接证实。15 事实上，科学家们已经开始着手找出不同族群的老鼠在行为和问题解决方面的差异背后潜在的神经机制，但很快他们就意识到丰富体验所带来的巨大影响。
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正如你能想象到的，环境丰富所带来的影响一直是神经科学家和心理学家关注的焦点。我们现在知道了，丰富的环境对多种生物，对各个年龄段的生物都有影响。在过去的几十年里对“富足的”动物的研究都表明，这些动物所表现出的明确的解剖学变化都是积极的。16 年轻和年老的动物都在空间记忆测试中表现出了优势，而且当人们用经过一定程度基因修饰的小鼠种系作为阿尔茨海默病的动物模型时发现，即使是短时间的丰富环境也可以拯救成年老鼠的记忆缺陷。17 此外，这种刺激可以引起神经发生（产生新的脑细胞）以及记忆改善。18
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即使在老鼠身上，丰富的环境也能更有效地帮助延缓或减轻脑损伤。例如，单基因遗传病亨廷顿氏病会出现进展性神经退行性病变，目前尚未发现治疗方法。在“转基因”（基因修饰）小鼠身上建立一系列与人类疾病相似的神经退行性病变症状，主要表现为逐步增加的运动困难，利用这样的小鼠进行研究。将这些小鼠从小就暴露在充满刺激的丰富环境中，有助于阻止脑组织的丢失，延缓运动障碍的发病19 以及弥补脑损伤。20
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这里一个关键的因素是丰富体验的持续时间。例如，一项实验分别将小鼠暴露在丰富环境中一周、四周和八周，以此来研究持续不同时长的丰富体验如何影响小鼠的行为，具体来说是其运动行为。一周丰富环境的生活并没有对小鼠起到什么效果，但四周丰富环境生活所产生的行为效果持续了两个月，而八周的效果则持续了六个月。显然，要看到结构和功能的变化，丰富环境体验期有一个最短持续时间，而产生的结果所持续的时间可以超过体验期的时长，并且效果所持续的时长与最开始丰富环境持续的时长直接相关。21
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所有这些研究都说明了一个基本关键因素的重要性：动物与一个充满刺激的环境所进行的互动，无论是何种动物，也无论其认知能力如何。相似的环境诱发的变化同样也可以在小鼠、沙鼠、松鼠、猫、猴子，甚至鸟、鱼、果蝇和蜘蛛身上发现。简而言之，“从苍蝇到哲学家”22 ，所有动物都可能出现这样的改变。重要的不是被动地暴露在一个新奇的场景中，而是我们所谈论的主体，更具体地说是那个特定的大脑，如何对这个新奇的场景进行反应。
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与环境的互动非常重要，因为这使得脑细胞更加努力地工作，只有这样脑细胞才会不断生长，就像锻炼肌肉一样。然而，如果观察在丰富环境中的动物的脑细胞，并与那些关在实验室常规旧笼子里的动物脑细胞对比的话，你就会发现脑细胞回应刺激的方式与肌肉细胞并不相同。脑细胞并不会像肌肉细胞一样变大，反而会长出更多被称为树突的分支。23 尽管啮齿类动物是最常被用来进行测试的动物，但灵长类动物也一样，环境会导致包括神经元树突增加在内的结构上和化学上的强化改变。24 那么为什么说这一点特别有趣或特别重要呢？因为通过增加分支，脑细胞可以增加其表面积，这意味着可以建立更多的细胞间联系。
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显然，这些高度可控的、环境丰富的实验范式只能在非人类生物中进行系统性研究，很难想象让人们生存于某种类似的、经过控制的环境中。但这种依赖于体验而增加的脑细胞连接对我们这个物种依然有重要的启示作用。在动物世界中，随着大脑变得越来越复杂，对脑内神经元结构的独特塑形来说，个性化神经元连接的意义将变得非常重要，因为它给予了个体在世间的独特性。25 我们都知道，人类大脑在生命早期的成长不只是脑细胞数量的增加，更多是脑细胞间联系的增长。
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在人类大脑皮层中，突触（神经元间的连接）的数量在胎儿期迅速增加，并在产后一个较短的时间里继续增长。此后，突触的数量在很长的一段时间里缓慢下降，这段时间大约是从六个月开始持续到青春期，并在成年期达到一个稳定的水平。26 在一项对年龄在四岁到二十岁之间的人类被试进行的脑成像研究中，27 研究人员发现，在大脑发育期间，皮层的体积不断增加，这一过程在男孩约十岁到十一岁时停止，女孩八岁到九岁时停止。之后皮层体积的减少是突触进行“修剪”的结果。据此，大脑变得不再对任何可能性无条件地开放，而是更具针对性地满足个体的需要。28
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成人中有很多人类大脑可塑性的例子，其中神经元连接依然不断地被环境所塑造，这在多种不同的情境下反复说明了：大脑内的结构变化显然不只是伴随着新技能的学习，也反映着日常生活本身。有两种应用广泛的、以人类为被试的研究方法可以显示出我们大脑这种惊人的天赋。
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第一类是“快照研究”，这类似于我们之前看过的伦敦出租车司机研究。29 这种方法要求被试实施某种高强度、持续时间较长的特殊行为。通过一次性的观察便会发现，在与外行或不够专注的人进行对比时，专业人士或专家会表现出明显的不同。以数学家为例，因为他们花较长时间解决数学问题，他们大脑皮层中与算术或视觉处理相关区域（顶叶）的细胞密度便增加了。还有一些音乐家，他们的大脑结构与非音乐家相比明显不同。对专业键盘手、业余爱好者以及从不演奏音乐者的脑扫描显示，专业键盘手在运动、听觉、视觉空间等一系列脑区都表现出灰质增加。此外，音乐家的能力和他们练习的强度之间有着紧密的联系，这表明这些解剖学上的差异与学习过程本身有关，而不是与某些音乐天赋有关。30
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尤其是大量的钢琴练习，对特定脑区的神经连接（白质）在各个年龄段的发展都有明确的效果——无论是儿童、青少年，还是成人。或许正如你所料，儿童发育中的大脑表现出更高水平的可塑性。而其他年龄组也持续表现出练习带来的效果，当然对他们来说，这种效果只局限在大脑皮层。很明显，特殊时间窗（关键期）对中枢神经系统特定区域的局部可塑性起着至关重要的作用。31
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鉴于生活中的技能种类如此广泛多样，如驾驶出租车、演奏乐器以及解决数学问题等，其他各种各样的活动也可以在大脑中留下自己的印记，这可能也就不足为奇了。以高尔夫为例，一项研究对熟练的高尔夫选手、技巧较差的高尔夫选手和不玩高尔夫的人进行了大脑扫描，结果发现只有熟练的高尔夫选手出现特定大脑结构的灰质体积增大的现象。32 而且作为一项运动，高尔夫球在大脑适应性方面没有什么独特之处。在篮球运动员的大脑中也可以检测到依赖于体验的可塑性，在篮球运动员身上增大的是被称为“自动驾驶仪”的脑区（小脑），这片脑区与感觉——运动互动紧密相关，并且恰好是在专业运动员身上可以见到的那种复杂运动表现。33
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此外，还有另一类实验。除了对那些杰出专家的大脑进行一次性的“快照”，并与正常人进行对比研究之外，另一种研究人类大脑可塑性的方法是进行纵向研究。在该研究中，被试要在固定的时间内完成多次测试，这样就可以在同一个“普通”被试身上看到特定体验的前后效果：被试都是普通人，并且在研究开始时没有什么特殊的技能，但在实验过程中他们会学习到某种特殊的活动或某些专业知识。
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举例来说，研究证明学习一种语言可以促进大脑的可塑性，增加灰质的密度，而且观察到的变化与语言技能水平相一致。在另一项研究中，大脑语言系统的可塑性与第二语言熟练度的增加有关。母语是英语的交换生在瑞士学习了五个月的德语作为第二语言，结果表明大脑结构的改变（左侧额下回）和语言熟练度的增加同步。这再一次证明了学习过程的确是起到了作用，并反映在大脑结构的改变上。34
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在一项非常不同的项目中，被试要学习三球杂耍任务。在这项任务中，要对接下来的行为做出正确的决定，知觉和预期是至关重要的。志愿者被试接受了为期三个月的每日训练，在被试尚未接受训练前进行一次脑扫描，在被试接受了三个月的训练后进行一次脑扫描，然后被试在第三个月到第六个月的时间里不再进行这项活动，并在第六个月结束时再次进行脑扫描。经过三个月的杂耍训练，大脑皮质中某一特定部位的体积增大了。然而这种改变维持的时间很短。在第六个月结束时被试的杂耍表现变差了很多，而且脑区结构的改变也恢复到了基线水平。一项后续研究表明，大脑的适应在开始训练的第七天就已经出现了。由于这样的转变在学习过程的早期阶段是最迅速的，而此时被试的行为表现水平还很低，似乎对于改变大脑结构最重要的不是对某种已经学会的事物进行反复的练习，而是获取某种新任务这一实际行动。35
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但不只是常规学习和身体活动会对大脑的神经连接产生影响。对大脑可塑性最令人着迷的一项研究是基于弹奏钢琴产生的效应。在仅仅为期五天的课程中，被试每天花两小时的时间学习单手五指演奏，脑成像研究显示大脑皮层中定位为管理手部肌肉的脑区扩大了，且其激发阈值也有所降低。而控制组被试则每天只将琴谱中的音与琴键对应，但完全不去进行练习，他们的脑成像结果则没有显示出变化。36 这些发现与先前提到的钢琴研究的结果类似，但这项调查更深入了一步。最令人惊讶的是，另一组被试被要求在头脑中想象着进行练习，而并不真的去弹琴，研究者在这些只进行“心理”练习的被试的大脑中也发现了同样的改变。这样的结果无疑表明，我们不能再把“心理”当作“身体”的对立面来看待了。过时的二分法已经没什么意义了，并且它对于提出并回答关于心智和意识的那些重大问题也已经没有什么帮助了。
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这项研究另一个令人兴奋的意义在于，就大脑功能而言，对于可塑性最重要的不是肌肉实际的收缩，而是让肌肉收缩的想法。霍尼克维兹的观察结果——“思维是局限于大脑内的运动”，正是这些脑扫描展示出来的结果。
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