图片来源：科学美国人
（本文翻译自《科学美国人》杂志2020年1月刊文章，作者：戴维·赖希伦（David A. Raichlen）生物科学教授，南加州大学运动实验室进化生物学主任。研究方向是从进化论观点研究关于运动的生物力学和生理学。
吉恩·亚历山大（Gene E. Alexander）心理学教授，亚利桑那大学脑成像、行为和衰老实验室的负责人，研究方向是健康人和患有神经退行性疾病病人的大脑老化情况。）
几十年以来，科学界普遍认为大脑一旦发育成熟，就无法再生长出新的神经元来。这种观点意味着一个人若是步入成年，大脑就只可能会失去、而不再获得神经元。到了上世纪九十年代，科学家们的一系列新发现颠覆了神经科学的这项基本认知：越来越多证据和事实表明成年人的大脑是可产生新神经元的。在一项引人注目的老鼠实验中，科学家们仅仅让老鼠在转轮上奔跑，就能注意到在海马体中产生新的神经元。而海马体是同记忆能力相关的大脑组织。从那以后的诸多研究证实了运动对人类大脑也有积极作用，尤其是当我们面临逐渐衰老导致的大脑功能退化问题，甚至还有可能降低罹患阿尔茨海默氏症或其他神经退行性疾病（neurodegenerative conditions）的风险。于是乎不可避免的，这类研究会带出一个核心问题：运动究竟怎样影响着大脑？
体育运动提升了身体中许多器官系统的功能，但功效通常表现在更佳的运动能力方面上，比如，健走或者跑步使得肌肉需要更多的氧。若是长期坚持走路跑步，心血管系统会对此做出适应性变化：让心脏变得更大、搭建新的血管。心血管发生的改变是为了应对身体锻炼带来的挑战，表现为具有更好的耐受能力，但锻炼挑战会引发大脑如何应对呢？
要回答这个问题需要我们重新调整对运动的观点。人们通常认为健走和跑步可由着身体自动行进，宛若无人驾驶汽车那样不需大脑干预。但过去十年来的研究表明，这种观点是不正确的。与此相对照的是，锻炼似乎既是身体运动，同时也是思维认知的运动。事实上，身体活动和大脑健康之间的这种关联可以追溯到数百万年前人类标志性性状（比如双足行走，狩猎采集觅食模式）的起源。如果我们能更了解运动为什么能、以及以何种方式影响大脑，也许可凭借于此相关的生理途径设计出新颖的运动模式，在一个人逐渐衰老的时候，可促进提高其认知能力。目前这些工作正在进行中。
运动大脑
探究运动为什么会有益于大脑，我们首先想到的是大脑结构和认知能力的哪些方面对运动最为敏感。上世纪九十年代，由弗雷德·盖奇（Fred Gage）和亨利埃特·范·普拉格（Henriette Van Praag）领导的加利福尼亚拉霍亚索克生物研究所（Salk Institute for Biological Studies）的研究人员，在发现跑动会增加小鼠新的海马神经元生成时候，他们注意到似乎一种名为脑源性神经营养因子（BDNF）蛋白质的产生与此过程相关，BDNF因子在大脑和整个身体中都可以分泌，它能促进新生神经元的生长和存活。索克的研究人员和其他科学家们随后进一步证明，运动诱发的神经发生（exercise-induced neurogenesis）可以提升啮齿类动物在与记忆相关的任务中的表现。这些研究发现之所以令人惊讶，是因为在身体健康人的衰老过程中，海马体的萎缩与记忆力衰退有着广泛的联系，特别是那些患有患有阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病的人群中，海马体萎缩的程度更大。啮齿动物身上的重大发现为明白运动如何对抗这种衰退提供了初步的线索。
动物研究完成后，科学家们将注意力放在对人类的调查研究上：确认了和啮齿类动物一样，有氧运动也会导致人体内BDNF因子的分泌增强，并以增大体积和加强连通性的方式改善了大脑关键区域的结构，其中就包括海马体。柯克·埃里克森(Kirk Erickson)和亚瑟·克莱默(Arthur Kramer)在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)进行了一项随机试验，结果显示，12个月的有氧运动可让老年人的BDNF因子分泌水平升高、海马体积增大、记忆力改善。
其他研究人员在多项调查研究中也发现了运动与海马体之间的关联。我们自己做出的一项针对英国七千多名中老年人的研究表明，那些花费更多时间从事剧烈运动的人，其海马体的体积会更大。虽然现在尚无法明确该效应是否与神经发生（ neurogenesis ）及其他形式的大脑可塑性相关，比如可能会增加现有的神经元直接的链接，而不是增加了新的神经元，但无论如何结果是明确无误的，那就是积极锻炼身体有益于提高大脑的海马体功能及认知能力，这项研究成果发表在2019年的《大脑成像与行为》（Brain Imaging and Behavior）杂志上。
运动可导致成人大脑发生有益的变化，包括产生新生神经元以及和增强现有神经元之间联系。体力活动似乎成了诱导这种神经可塑性的方式之一，这是借助增加一种叫做脑源性神经营养因子(BDNF)的蛋白质生成来实现的，这种蛋白质可以促进神经元的生长和存活。最近的研究表明，在体育锻炼的同时让大脑进行认知活动可增强这一过程。
研究人员还记录到了有氧运动与大脑其他部位收益的明确关联，包括可扩张位于前额后面的前额皮质（prefrontal cortex），大脑这个区域活动能力的增强与更敏锐的执行认知功能相关，包括制定计划、执行决策和处理并发多任务能力等方面。和记忆力一样，这些功能会随着人的正常衰老而下降，对于罹患在阿尔茨海默氏症的人下降程度会更甚。对此科学家们推测，运动锻炼对前额叶皮层和海马体外其他大脑区域功能提升的原因是现有的神经元直接联络增强，而非诞生了新的神经元。
更勤快更积极
越来越多的证据表明，有氧运动可以促进大脑健康，尤其是对老年人而言。下一步需要厘清运动锻炼带来的认知挑战究竟为何，从而触发身体对之的这种适应性反应。从一开始我们就认为研究大脑和身体之间的进化关系可能是个不错的开端，在六百万到七百万年前，古人类（Hominins，包括现代人类和我们已经灭绝的近亲）从我们的近亲黑猩猩和倭黑猩猩的血统中分离出来。在那个时候，古人类进化出了许多解剖学和行为学上的适应，使我们区别于其他灵长类动物。我们认为其中的两个进化变化，特别是将运动锻炼绑定到了大脑功能提升上，这为人类物种带来了生存优势，而且至今还在发挥作用。
首先，我们的祖先从四肢行走转变为只用后腿直立行走。这种两足行走的姿势意味着有时候我们的全部身体需要立在单只脚上而保持一种不稳定平衡，而其他四足行走的猿类使用两肢或者四肢想保持平衡就容易多了。为了完成这项任务，我们的大脑必须处理大量信息，并在此过程中调整整个身体的肌肉活动，以维持这种动态的平衡。在协调这些行动的同时，我们还得对抗任何可能的环境障碍。换句话说，仅仅因为是双足动物，我们的大脑可能比我们的四足动物祖先在认知上遭受到更大更艰难得多的挑战。
其次，人类的生活方式（hominin way of life）变成了需要融入更高水平的有氧运动。化石证据表明，在人类进化的早期阶段，我们祖先很可能是久坐不动的双足行走猿，因为主要食物是伸手可取的植物。然而到了大约两百万年前，随着栖息地气温降低和更干燥，至少有部分人类祖先就开始了全新的觅食方式，即狩猎动物和采集植物性食物。狩猎和采集在人类生存历史长河中主导了两百万年之久，直到大约一万年前才出现了农牧业。杜克大学的赫尔曼·庞泽（Herman Pontze）和洛杉矶加利福尼亚大学的布莱恩·伍德（Brian Wood）的研究表明，由于在寻找食物的过程中动辄要长途跋涉，狩猎和采集所需要的有氧运动水平比其他类人猿要高得多。
从食物坐等天降到需要辛苦地四处采觅，这种需要更多活动量的生活模式转变，也对大脑的功能增强提出更高要求。在远处觅食时，狩猎采集者要随时观察了解周围环境情况，以明确自己所处的位置。这种空间导航能力需要依赖海马体，海马体正是能从运动锻炼中受益的大脑区域。随着年岁的衰老，大脑会趋于萎缩。不仅如此，祖先们还要依靠视觉和听觉系统获得的感官信息、扫描地形以寻找食物的各种迹象。他们必须要记住以前去过哪里，什么时候能获得什么样的食物。大脑利用这些来自短期和长期的记忆信息，使我们的祖先能够做出决策并规划行动路线，这所涉及的认知任务，就要由海马体、前额叶皮层以及其他大脑区域的来完成，狩猎采集者也经常会集体觅食，在这种情形下，大脑除了完成保持身体平衡、获知空间位置外，还要和同伴进行信息交流，所有这些并发多任务在一定程度上受到前额皮层的控制。随着年岁的增长，前额叶皮层也会逐渐减少。
尽管任何觅食动物（foraging animal）都必须具有导航能力，并能发现哪里可以找到食物，但我们的狩猎采集祖先还得在超过20千米的急行军中执行这些任务，在高速运动中，处理并发多任务变得愈发困难，并需要更强大的信息处理能力。从进化的角度来看，在觅食期间和觅食之后，大脑准备好应对一系列挑战，最大限度地提高成功觅食的机会，这是有重大生存意义的。但是，建立和维持这样一个大脑所需的生理资源（包括那些支持新神经元的诞生和存活的资源）则会消耗宝贵的身体能量，这意味着如果不经常利用这个机制，我们可能会丧失这个益处。
我们发表在2017年《神经科学趋势》（Trends in Neurosciences）杂志的一篇文章详尽论述了这种运动锻炼和大脑功能所涉及的进化神经科学内容，它给当今的人类留下了深刻的影响。进入现代社会后，我们已不再借助有氧运动才能寻觅赖以生存的食物，通常在年岁变老时发生的大脑萎缩，及因之而来的认知能力下降，可能与我们久坐不动的生活习惯密切相关。
然而，单纯增加运动量来发挥体育运动的潜力，达到防治大脑功能衰退目的也不大现实。事实上，我们的研究模型表明，即使那些每天进行大量有氧运动的人也需要重新评估他们的日常生活模式，很可能我们的运动模式并非能充分利用进化而来的、可维持大脑功能良好的机制。想想我们许多人进行有氧运动的方式：在健身房使用固定的锻炼器械机械版的操练，可能需要的最大认知挑战就是给健身房电视选个频道。这种运动方式弱化了身体时刻保持平衡和随时改变速度的要求，无法再现狩猎采集生活模式中那种环境情况随时发生变化，因而对认知能力形成重大挑战的情形。
我们的祖先完全是在一个不可预知的世界当中完成了进化，所以有着单一固定节奏和模式的运动可能不会带来大脑认知能力的提升。若是变革我们的锻炼模式，包括增加认知力方面的挑战，就如同我们狩猎采集的祖先时刻遇到和处理的复杂情况变化那样，也许可以在衰老过程中旨在增强认知能力的运动疗法功效，甚至可能缩短神经退行性疾病（例如阿尔茨海默氏病）的病程。
动身体，动大脑
当下，越来越多的研究表明，和完全没有伴随认知活动的运动相比，能刺激认知的运动更有益于保持大脑的机能。例如，德国德累斯顿再生疗法中心（Center for Regenerative Therapies Dresden）的盖德.肯珀曼(Gerd Kempermann)和他的同事曾以小鼠为研究对象做了这样一个对照实验，一组小鼠进行简单的运动，另一组小鼠除了做运动，还要对变化的周围环境做出应激反应。研究发现，和对照组相比，这两组运动小鼠的海马体都得到了改善，然而那组将体育运动和认知需求结合的小鼠大脑功能会更好，因为生成了更多全新的神经元。无论运动时，还是运动后开动大脑似乎还可以提高神经元的存活率。
我们和其他科学家们最近将这种研究从动物扩展到人类身上，取得令人欢欣鼓舞的成果。研究人员一直在探索将运动和认知挑战结合起来，应对个体认知能力显著下降的问题。例如，纽约州斯克内克塔迪联合学院（Union College in Schenectady, N.Y.）的凯.安德森·汉利（Cay Anderson Hanley），对轻度认知障碍（这是一种与阿尔茨海默氏症风险增加相关的疾病）患者同时进行运动锻炼和挑战认知能力的结果进行了测试。固然在得出任何确定的结论之前，还需要在这类人群中做更多的科研工作，但到目前为止的研究表明，那些已经有一些认知衰退症状的人，在玩一个对聚精会神要求很高的电子游戏时，大脑可能会从中受益。在对健康成年人的研究中，.安德森·汉利和她的同事也得出结论，在运动锻炼的同时玩一个具有认知挑战性的电子游戏可能比单纯运动锻炼更能增加循环BDNF（circulating BDNF）。这些发现进一步证实了BDNF因子在运动锻炼诱导提高大脑认知能力所起的作用。
人的认知能力往往会随年龄增长而衰退，给生活带来诸多不便。在我们自己的研究工作中开发了一款游戏，专门用来挑战大脑的认知能力。在游戏中，玩家在以中等水平有氧运动的强度骑行单车的同时，还在行程导航中完成注意力和记忆力的任务挑战。为了评估这种模式对提升老年人认知水平的潜力，我们分成了四个对照组，分别为玩游戏时锻炼组、玩游戏时不锻炼组，不锻炼也不玩游戏组和只看自然风光视频组。截至目前的积极效果是显著的。
其他许多科学研究小组也在检验运动锻炼的同时刺激认知水平对大脑能力的积极效果，相信不久的将来，我们可以更好的了解提高大脑认知能力的机制，找出最好的方式增强健康的人和那些经历了认知衰退的人的认知能力。
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