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运动改造大脑 运动让神奇的“脑细胞肥料”变多
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1995年，当时我正在为自己的新书《大脑使用指南》（A User’s Guide to the Brain）收集资料，碰巧发现《自然》杂志上有一篇关于“老鼠运动和BDNF”的论文。尽管篇幅还没有一篇专栏文章长，但却说明了一切。即运动提高了整个大脑的优质营养肥料。
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这个研究的设计者卡尔·科特曼（Karl Cotman）是加州大学欧文分校（University of California, Irvine）脑部衰老与老年痴呆研究所（Institute for Brain Aging and Dementia）主任。“我原以为运动皮层、小脑、感觉皮层这些大脑的运动感觉区域会发生较大的变化，或许连基底核都会略有变化，因为它们都与运动有关，”他回忆说，“可是当我们冲洗出首批脑成像胶片时，见鬼！变化却出现在海马体中。这个重要发现的意义在于，海马体是大脑中极易受到退行性疾病影响但又是学习必需的区域。在我看来，那一瞬间彻底改变了整个游戏规则。”
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这个消息绝对出乎我的意料。根据多年来从很多患者身上看到以及了解到的运动对神经递质的影响，我始终对外提倡利用运动治疗注意力缺陷多动障碍和其他心理疾病。但这项研究有所不同，通过证明运动激活学习过程的主控分子，科特曼确定了运动和认知功能之间存在一个直接的生物学联系。这样，科特曼开拓了通往神经科学—运动学研究的道路。
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科特曼是在BDNF准确位置被发现不久之后进行这项实验的，当时并没有证据显示BDNF与运动有任何关系。此后不久，科特曼指导了这次实验，而他的假说完全是一种新的创举。他刚完成一个关于老化的长期研究，想要弄清那些保持头脑最佳状态的人是否有什么相似之处。4年时间里，通过对认知功能衰退极少的人进行研究，科特曼发现了3个因素：教育、自我效能感（self-efficacy）[3]和运动。前两者并不怎么令人惊讶，让科特曼好奇的是最后一个因素。“我开始想，到底发生了什么呢？”他说，“原先的假设是，运动对大脑没有影响。但我猜想，在某种程度上它必定和大脑有关系。”
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假如那时候你问是什么可变因素构成了整个大脑健康的基础，那么大多数科学家可能会回答是BDNF。科特曼说，“因为它们在某种程度上家喻户晓”，每个人都知道它们可以帮助培养皿中的神经元活得更长。虽然变化有点太快，但如果科特曼把运动和BDNF联系到一起，那么对于“为什么在老化研究中发现了运动因素”至少他会有一个貌似合理的解释。
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科特曼设计了一个实验，测量运动中的老鼠大脑BDNF水平前提是它们是自愿运动的。如果强迫老鼠在跑步机上跑步的话，他担心同行可能会认为实验结果源于老鼠所承受的压力。不过这不是问题：他可以利用转轮。从这点看这个研究领域是全新的，光是寻找让学校审核用于实验的老鼠设备，就够痛苦的——科特曼必须为这些可能符合实验协议的不锈钢转轮付出每个1 000美元的费用。“我记得自己一边签购货单一边想，真是麻烦啊！我只希望它不会失灵。”他开玩笑道。最糟糕的是，科特曼所有的博士后研究生都不愿意加入这项研究，所以在找到一个物理治疗法专业并喜欢这个实验构想的学生之前，科特曼只得请硕士研究生来进行实验。
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与人类不同，啮齿目动物似乎生来就喜欢运动，科特曼的老鼠一个晚上能跑几公里。老鼠被分成四组：一组跑两个晚上，另外两组分别跑四个晚上和七个晚上，还有一组是不参与转轮跑步的对照组。实验中，研究者先给老鼠注入一种能与大脑内BDNF相结合的分子，再对它们进行扫描，结果发现，运动组老鼠大脑内BDNF增加幅度超过对照组，而且每只老鼠跑得越久，大脑内的BDNF水平就越高。当科特曼看到这些结果——海马体上出现BDNF陡增——他简直难以相信。“我当时说，不，伙计们，我们肯定出错了！可恶的海马体活跃性增强了。我们必须重新做这个实验，这太不可思议了。”之后，我们重做了这个实验，但还是得到了同样的结果。
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BDNF和运动产生同步变化的事实，逐渐证明了 BDNF不仅对神经细胞的存活很重要，而且对神经细胞的生长（发出新的分支）也很重要，因此它对学习也很重要。艾罗·卡斯特伦和哥伦比亚大学坎德尔实验室的苏珊·帕特森（Susan Patterson）共同发现，通过让老鼠学习刺激长时程增强效应（LTP），它们脑内BDNF水平就会相应提高。研究者观察老鼠的大脑，发现缺乏BDNF的老鼠失去了LTP的能力；反之，直接把BDNF注射到老鼠大脑内，则能促进LTP。神经外科学家戈麦斯·皮尼利亚（Gomez Pinilla）曾是科特曼的博士后研究生，他证实，如果让老鼠大脑内的BDNF无法正常工作，那么水池中的老鼠就难以找到水下暗藏的平台而逃脱。这一切概括起来形成了“运动有助于大脑学习”的可靠证据。
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“运动最显著的一个特征是，它能提高学习效率，但有时候人们在研究中会忽略这一点。所以我认为这绝对是一个非常棒的重要信息，”科特曼说，“因为它意味着，如果你身体健康，就能更有效地学习和工作。”
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实际上，在2007年的一项人类研究中，德国研究人员发现，人们在运动后学习词汇的速度比运动前提高了20%，学习速度和BDNF水平有直接关系。同理，那些由于基因变异导致BDNF缺失的人，更有可能缺乏学习能力。没有优质的营养肥料，大脑就关闭了自身通往世界的大门。
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精神病学勉强接受了这个观点：运动可以创造一个有助于学习的环境，从而有助于改善我们的心理状态。不过科特曼的工作为证实“运动能够增强学习的细胞机器”打下了基础。BDNF为突触提供工具以接受、处理、关联、记住信息，并把它放入相关背景中加以理解。这并不意味着，跑1 600米就会让你变成天才。“仅仅靠注射BDNF绝不可能让你变得聪明，”科特曼指出，“学习时，你可以一种不同的方式作出反应，而反应的对象早已经存在了。”
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毫无疑问，关键在于这样东西是什么。
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运动改造大脑 大脑真的会长大
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现代神经科学之父拉蒙·卡哈尔（Ramón y Cajal）提出中枢神经系统由独立神经元组成，在被他称为“极化接合点”的地方完成交流，拉蒙因此获得了1906年的诺贝尔医学奖。推崇其观点的科学家提出学习与突触变化密切相关的理论，尽管这一理论受到赞扬，但大多数科学家却并不买账。直到1945年，加拿大麦吉尔大学（McGill University）的心理学家唐纳德·赫布（Donald Hebb）偶然中首次发现了可作为证据的迹象。那时实验室的规定很松散，赫布觉得带几只实验室老鼠回去给孩子做临时宠物可能是个不错的主意。结果，把老鼠重新带回实验室后，赫布发现，与关在笼子里的同类相比，这几只老鼠非常擅于学习测试。被孩子们抚摸和嬉戏的新奇体验以某种方式提高了它们的学习能力。赫布认为这种经历改变了它们的大脑。在备受赞誉的教科书《行为的组织：一种神经心理学的理论》（The Organization of Behavior：a Neuropsy Chological Theory）中，他把这种现象描述为“使用–依赖可塑性”（use-dependent plasticity），认为突触在学习的刺激下会重新进行自我调整。
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赫布的工作与运动密不可分。因为至少就大脑而言，体育活动算是新奇的体验。20世纪60年代，加州大学伯克利分校的心理学家们把一种叫“环境优化”（environmental enrichment， EE）的实验模型作为测试“使用–依赖可塑性”的手段。这次，研究人员没有把老鼠带回家，而是在它们的笼子里放置了玩具、障碍物、隐藏的食物以及转轮。研究人员还把老鼠们聚集起来，以便它们能够社交和 玩耍。
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然而实验并非完全是充满和平与爱心的，因为最终这些啮齿目动物的大脑是要被解剖的。实验表明，生活在一个有更多感官刺激和社会化刺激的环境中，老鼠的大脑结构和功能皆发生了改变。老鼠不仅能更好完成学习，相对那些住在空荡荡笼子里的同类，它们的大脑重量也重了许多。赫布对可塑性的定义并没有包括神经元的增生。神经学家威廉·格里诺（William Greenough）读研究生期间，对加州大学伯克利分校的研究有强烈的兴趣，他回忆道：“那时候，要是从生理学上提出，大脑确实可以通过某些经历而发生改变，那几乎就等于异端邪说。”
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格里诺想对“环境优化”项目做个调查，却被一通警告而打消了那种念头。他回忆说：“我的导师斩钉截铁地对我说，如果你把那个研究作为毕业论文，那你肯定会四面楚歌。”随着加州大学伯克利分校的研究结果被不断复制，“运动影响大脑”的观点也有了立足之地。哈佛大学的一个小组也用类似的研究从反面证实：环境的缺失会使大脑萎缩。通过手术将猫的一只眼睛缝合起来并饲养一段时间后，研究人员发现它们的视觉皮层明显缩小。整个研究证实，用肌肉比喻大脑以及用进废退的观念是成立的。