為什麼說體育鍛鍊有助於大腦健康

20世紀90年代，研究人員宣布了一系列的發現，這些發現幾乎動搖了神經科學基礎。幾十年來神經科學的一個基本原則認為，成熟的大腦無法產生新的神經元。一個人成年以後，大腦神經元漸漸消耗，這個過程是不可逆轉的。

但越來越多的證據表明，成年人的大腦實際上可以產生新的神經元。

眾所周知，體育活動可以改善身體許多器官的功能，這些效果通常與一個人的運動能力成正比。例如，當人們走路或跑步時，肌肉需要更多的氧氣，持續不斷的運動要求心血管系統增加心臟的維度和建立新的毛細血管。鍛鍊帶來的對身體挑戰會促成心血管的良性變化，增強耐力等。相關研究陸續證實，運動對人類的大腦也有積極的影響，尤其是當我們漸漸變老的時候，適當的運動甚至有助於降低阿爾茨海默氏症和其他神經退行性疾病的風險。

科學家們通過對白老鼠的實驗發現，在滾動的輪子上不斷運動的白老鼠，其海馬體會產生新的神經元。海馬體是一種與記憶相關的大腦結構。

問題的關鍵在於，運動影響大腦背後的機制是什麼。換句話說，究竟什麼樣的運動挑戰會引起大腦的反應呢?

回答這個問題需要重新梳理人類對運動的看法。例如人們通常認為步行和跑步是身體的本能活動。但過去10年來的研究表明，這種傳統看法是錯誤的。相反，步行或跑步等運動既是身體活動，也是認知活動。而身體活動和大腦認知之間的這種聯繫可以追溯到數百萬年前人類建構其特徵的起源時期。如果我們能更好地理解運動為什麼以及如何影響大腦，我們就能利用相關的生理途徑來設計新的運動程序，從而提高人們的認知能力。

為了探索運動有益於大腦的機制，首先需要考慮的是大腦結構和認知的哪些方面對運動最敏感。美國加州索爾克生物研究所（Salk Institute）的研究人員在上世紀90年代對小白鼠的研究顯示，小白鼠的滾輪運動會增加其大腦的海馬神經元。他們指出,這個過程與一種叫腦源性神經營養因子(BDNF)的蛋白質的產生有關。BDNF在身體和大腦中產生，能夠促進新神經元的生長和存活。索爾克小組和其他研究人員進一步證明，運動誘導的新神經的產生與齧齒動物改善其在記憶訓練中的表現直接相關。

這一研究結論震驚了業界。人們很自然地將之與人類聯繫起來。因為人類衰老過程中，海馬體的萎縮與記憶困難有著廣泛的聯繫，在患有阿爾茨海默氏症等神經退行性疾病的人群中，海馬體萎縮的程度更大。

隨著研究的不斷深入，人們調查發現與齧齒動物一樣，人類的有氧運動會促進腦源性神經營養因子的產生並增強其結構。這是大腦大小和連接方式的關鍵領域,其中就包括海馬體。

在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的柯克·埃裡克森(Kirk Erickson)和亞瑟·克萊默(Arthur Kramer)進行的一項隨機試驗結果顯示，持續12個月的有氧運動會使老年人BDNF水平升高、海馬體積增大，從而改善記憶力。一項對英國7000多名中老年人進行的研究發表於2019年的《大腦成像與行為》(Brain Imaging and Behavior)雜誌。該研究證明，花更多時間進行中等強度或劇烈體育鍛鍊的人，其海馬體積更大。

雖然目前為止尚未清楚上述作用的具體機制，比如除了神經元的再生外，是否還與其他形式的大腦可塑性的加強以及神經元之間的聯繫更緊密有關，但綜合起來的結果清楚地表明，運動可以使大腦的海馬體及其認知功能受益。

研究人員還證明了有氧運動對大腦其他部位也有益處，包括前額葉皮層的發展。這一區域的增強與更敏銳的認知功能包括規劃、決策和多任務處理能力直接相關。這些能力與記憶一樣，會隨著人的衰老而衰退，在阿爾茨海默症出現時又會進一步退化。科學家們懷疑，體育鍛鍊對前額葉皮層和海馬體以外的其他大腦區域產生有益影響的原因，是現有神經元之間聯繫的增強，而不是新神經元的誕生。

人類進化史的解釋

一 直立行走和保持活躍

越來越多的證據表明，有氧運動可以促進人們尤其是老年人的大腦健康。下一步就是要弄清楚究竟是什麼認知挑戰引發了身體活動的這種適應性反應。研究小組起先認為研究人類大腦和身體之間的進化關係可能是一個很好的起點。古人類(包括現代人類和我們已經滅絕的近親)在六百萬到七百萬年前從我們現存的近親黑猩猩和倭黑猩猩的譜系中分離出來。在那段時間裡，人類進化出了許多解剖學上和行為上的適應性，使之區別於其他靈長類動物。研究認為其中兩個進化上的變化，特別是其在促進運動對大腦功能的影響方面，是人們現在可以利用的。

首先，我們的祖先從用四肢行走轉變為只用後腿直立行走。這種兩足行走的姿勢意味著有時我們的身體會在一隻腳上不穩定地保持平衡，而不是像其他類人猿那樣有兩隻或更多的四肢。為了完成這項任務，我們的大腦必須協調大量的信息，在這個過程中，調整全身的肌肉活動來保持我們的平衡。在協調這些行動的同時，我們還必須注意任何環境障礙。換句話說，僅僅因為我們靠兩足行走，我們的大腦就比我們的四足祖先在認知上接受更多的挑戰。

第二，原始人類不斷改變了的生活方式加入了更高水平的有氧運動。化石證據表明，在人類進化的早期階段，我們的祖先可能是相對定居的兩足猿，他們主要吃植物。大約200萬年前，隨著棲息地氣候變冷逐漸乾涸，至少有一群人類祖先開始以一種新的方式覓食，即狩獵和採集植物性食物。狩獵和採集主宰了人類近200萬年的生存策略，直到大約1萬年前出現了農業和畜牧業。杜克大學的Herman Pontzer和加州大學洛杉磯分校的Brian Wood的研究表明，由於尋找食物需要長途跋涉，狩獵和採集需要更多的有氧運動。

身體活動的增多導致對大腦需求的增加。當狩獵採集者在遠處覓食時，他們必須勘察周圍的環境，以確保了解自己的位置。這種空間導航依賴於海馬體，而海馬體正是我們從鍛鍊中受益的大腦區域。隨著年齡的增長，海馬體往往會萎縮。

此外，他們還必須利用視覺和聽覺系統的感官信息，掃描周圍的環境，尋找食物的信息。他們必須記住以前到過什麼地方，什麼時候有某種食物。大腦利用來自短期和長期記憶，做出決策和計劃行程——這些認知任務是由海馬體和前額葉皮層等區域支持的。狩獵者和採集者也經常成群覓食，在這種情況下，他們可能會交談，並隨時讓大腦保持清醒並進行空間定位。所有這些多任務處理部分是由前額葉皮層控制的，而前額葉皮層也會隨著年齡的增長而減少。

儘管任何覓食動物都必須導航並找到食物，但我們的祖先是在長達20多公裡的快節奏跋涉中完成這些任務。在高速行進條件下，多任務處理變得更加困難，需要更快的信息處理速度。

從進化的角度來看，在覓食期間和覓食之後，大腦必須準備好應對一系列挑戰，以最大限度地提高覓食的成功率，這對大腦的發展是極有意義的。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元的誕生和存活的資源——不斷地消耗著身體的能量，如果不經常捕獵與採集（運動）並收穫，從而實現良性循環，大腦機能就會不進則退。換句話說，如果不經常利用這個系統，則可能會很快會失去這些好處。

2017年《神經科學趨勢》雜誌(Trends in Neurosciences)的一篇文章詳細闡述了這種進化神經科學對鍛鍊和大腦的觀點，影響頗大。如今人們已不需要依靠有氧運動來尋找食物獲得生存。隨著年齡增長，大腦萎縮和伴隨著的認知能力下降可能與人們久坐的習慣有關。

但是，單純地依靠增加鍛鍊可能並不能充分發揮體育活動的潛力，從而防止大腦衰退。該研究的模型還表明，即使是那些已經進行了大量有氧運動的人也可能需要重新考慮他們的日常活動。換句話說，我們的鍛鍊方式並不是保持大腦活力和發展的有效模式。

古羅馬鬥獸場

想想我們很多人做有氧運動的方式。我們經常去健身房，使用固定的健身器材。在這種鍛鍊中，對認知要求最高的任務可能就是決定在跑步機上方的電視上選擇哪個頻道。更重要的是，這些健身器材根本沒有保持平衡和調整速度的要求，更不用說在變化的環境中移動等其他對內在認知挑戰。

如果這種形式的運動意義不大呢?反觀我們的祖先在一個不可預知的世界裡進化的，從而使腦體得到充分的發展。如果我們改變鍛鍊模式，把認知挑戰包括進來，就像我們的祖先在狩獵和採集的過程中所面臨的挑戰那會怎麼樣呢? 如果我們可以通過包含認知需求的活動來增強鍛鍊的效果，那麼我們或許可以提高旨在提高認知能力的鍛鍊方案的功效，甚至有可能改變阿爾茨海默病(Alzheimer’s)等神經退行性疾病的病程。

二 動思結合

事實上，越來越多的研究表明，與不產生認知需求的運動相比，具有認知刺激功能的運動對大腦的益處更大。德國德勒斯登再生治療中心的Gerd Kempermann及其同事通過比較單純運動或運動後小白鼠海馬新神經元的生長和存活情況，探索了這種可能性。他們發現了一個附加效應:運動本身對海馬體有好處，但在刺激的環境中，將體育活動與認知需求結合起來則效果更好，這能產生更多的新神經元。在運動中和運動後使用大腦能提高神經元的存活率。

人們最近已經開始將這些研究從動物擴展到人類，結果令人鼓舞。例如，研究人員一直在探究當人們將運動和認知挑戰相結合時所經歷得顯著的認知下降。紐約州斯克內克塔迪聯合學院(Union College in Schenectady)的凱·安德森測試了具有輕度認知功能障礙的人同時進行運動和認知幹預的情況。當然，在得出任何確切結論之前，還需要在這類人群中做更多的研究，但目前的研究結果表明，那些認知能力正在下降的人可能會受益於在玩需要智力的電子遊戲的 同時進行的鍛鍊。在對健康成年人的研究中，安德森·漢利和她的同事們還發現，與單純的鍛鍊相比，同時鍛鍊和玩電子遊戲（具有認知挑戰性）會促進循環BDNF的增長。這些發現進一步支持了BDNF在運動誘導腦功能方面起作用的觀點。

研究發現，與健康但久坐不動的年輕人相比，進行大量戶外訓練的大學生如越野跑者，大腦中執行認知功能相關的區域之間的連接性更強。未來的工作將幫助我們了解，這些好處是否也比那些在不那麼複雜的環境中鍛鍊例如在跑步機上的人所看到的更大。

雖然現在就提出運動與認知任務相結合的改善大腦健康的具體方案還為時過早，但可以肯定地說，隨著年齡的增長，運動是保持大腦功能的關鍵因素。美國衛生與公眾服務部(U.S. Department of Health and Human Services)的指導方針建議，人們每周應進行至少150分鐘的中等強度有氧運動，或至少75分鐘的高強度有氧運動(或兩者相結合)。達到或超過這些運動建議對身體有好處，可以改善大腦健康。

臨床試驗也告訴我們更多關於認知參與運動的功效——例如，哪種精神和身體活動最有效，以及增強認知的最佳運動強度和時長。但鑑於有關研究目前掌握的證據，我們有理由認為通過持續細緻的研究，可以精確定位連接大腦和身體的生理通路，利用人類大腦進化出的適應能力，在衰老過程中進行運動誘導大腦的可塑性。總之一句話，制定在運動中同時鍛鍊身體和大腦的方案可以幫助保持思維敏捷。

參考資料：《科學美國人》322,1,26-31(2020年1月)，This article was originally published with the title &34; in Scientific American 322, 1, 26-31 (January 2020)