脑科学解读运动改造大脑，如何让运动提高学习能力？

“四肢发达，头脑简单”似乎是一个传统的固有印象，文艺作品里不乏四肢发达但头脑简单的各色主人公，而充满智慧的人却往往体弱多病，甚至手无缚鸡之力。

但随着过去半个世纪神经科学的不断发展，这种刻板印象被逐渐打破，直至被逆转——健康的体魄对大脑的发展，起着至关重要的作用。

这其中，哈佛医学院约翰·瑞迪教授在对大众科普环节中贡献了不可忽视的力量。

瑞迪是一名首屈一指的精神病学家，在自己和他的学生爱德华·哈洛韦尔共同被确诊患有ADD，也就是所谓的注意力缺陷症后，他们对此领域做了非常深入的研究，并在1994年共同出版了《分心不是我的错》（Driven to Distaction），这本书被纽约时报评为开创性的巨作，成为畅销书，至今也被视为注意力缺陷领域的圣经。

他本人也在神经科学-精神病学领域里不断拓展，在1997年被同行评为全美最佳医生，2001年出版了《大脑使用指南》一书，为大众揭示大脑运行的基本机制。

2007年，他又出版了Spark：The Revolutionary New Science of Exercise and the Brain，该书中文译为《运动改造大脑》，从书名中可以看出，瑞迪教授探讨了锻炼与大脑之间的链接。

他从生物学的基本原理为起点，结合历史上的每一次重大研究，揭示了运动锻炼对于大脑的多方面影响，无论是在学习、应对压力和焦虑、治疗抑郁和成瘾、缓解衰老等等。现代人类心理疾病的提升，也使得这本书发布后即热卖。

在第1章《学习：越动越多的脑细胞》中，瑞迪指出，大脑的可塑性是非常强的，神经元可以再生，而一定强度的运动是大脑的神经元再生的必需条件。同时再结合一些复杂任务的执行、学习，可以使得神经元进一步强化，使得大脑逆生长。

当谷爱凌被问到，为什么可以在把学习和爱好都同时兼顾的情况下还把生活过得丰富多彩，她认为靠的是她极度的自律和专注。

“第一是每天要睡够10个小时；第二是吃好；第三是要有热爱；

第四是做一件事情时百分之百投入，做完以后再换到下一个，不要做一件事情的同时想其他的，可能一天只能做一件事情，但一定要把它做好。”

现代脑科学研究证明，当人处于放松、愉悦、开心的状态下，人的脑波会处于α波（放松波），是学习效率最高的时候。当孩子处于压力、紧张、焦虑、杂念多状态下，人的脑波会处于beta波（压力波）、或者θ 波（瞌睡波），这个时候学习，身体紧张容易疲劳，很难集中注意力进入到学习状态。

要理解大脑如何工作以及运动如何通过增强大脑功能来优化大脑，可塑性（plasticity）的概念必不可少。

我们所做、所想及所感知的每件事，都是通过大脑细胞或神经元的相互连接来控制的。被大多数人视为心理状态的东西，实际上源于这些相互连接的生物学基石。同理，我们的思想、行为和环境也反作用于我们的神经细胞，影响着这些细胞的连接方式。

它绝非像科学家曾经想象的是一个固定连接系统，大脑会不断形成新的神经线路。我在这里要告诉你的是，如何成为自己大脑的电工。

运动平衡大脑

大脑由1000亿个类型各异的神经元组成，而神经元通过数百种不同类型的化学物质传递信息，以此控制我们的思想和行为。神经元分支间的连接点是突触（synapse），好比轮胎接触到公路的地面。

神经元的工作机制是：

一种电信号沿着一个神经元向外伸展的分支，一直传导到达突触。在那里，一种神经递质携带化学信号穿过突触间隙。另一端，在下一个神经元的突触或接收分支上，神经递质与那里的受体相结合，就像一把钥匙插进一把锁。

大脑中约80%的信号是由两种神经递质传送出去的，两者相互平衡彼此间的效应：谷氨酸盐刺激神经冲动，开始一连串的信号传导；γ-氨基丁酸则抑制冲动。

神经元间的联系越活跃，相互间的吸引力就变得越强烈。正如常说的那样，神经元同步触发，同步连接。这使谷氨酸盐成为学习过程中一个至关重要的因素。

谷氨酸盐像一台可承载负荷的机器，不过精神病学更关注的是一组对大脑传递信号过程或其他举动起到调节作用的神经递质，它们是血清素、去甲肾上腺素和多巴胺。尽管产生它们的神经细胞只占到大脑千亿细胞的1%，但这些调节器却发挥着强大的影响力。

它们可以指示一个神经元产生更多的谷氨酸盐，还可以提高这个神经元的效应或者改变其受体的敏感度。它们可以让进入突触内的其他信号失活，从而减少大脑内的“杂音”；或者正相反，它们会增强那些信号。

学习是为了成长

如同神经递质是基础一样，过去15年左右的时间里，还有一类重要的分子极大地改变了人们对大脑中神经细胞相互联系的看法，特别是对这些联系如何产生和发展的认识。

我所说的这个分子是被泛称为因子的蛋白质家族，而其中最有名的是脑源性神经营养因子，即BDNF。神经递质执行信息传递，而像BDNF这样的神经营养物质则建立和保养神经细胞回路，即大脑自身的基本结构。

20世纪90年代，在神经学家开始证实记忆细胞机理后，BDNF成为一个全新研究领域的焦点。1990年之前公开发表的关于BDNF的论文只有十几篇，1990年，科学家发现了BDNF，它就像营养神经元的肥料一样存在于大脑中。

如今，关于BDNF的研究文献超过5400篇。海马是大脑中与记忆和学习有关的区域，经证实BDNF存在于该区域，研究人员开始测试BDNF是否为这一过程中的必要因素。

学习需要通过一个被称为“长时程增强”效应的动态机制来强化神经元之间的关系。当大脑需要接收信息时，这种需求自然就引发神经元之间的活动。神经元之间的活动越频繁，这种相互间的吸引力就变得越强烈，而信号的发出和传导就变得越容易。

比如，你在学一个法语单词。当你第一次听到单词时，很多神经细胞被召集起来，相互之间传递着一个谷氨酸盐信号以形成一个新神经回路。假如你从此再也不使用这个单词，那么与之有关的突触间的吸引力自然会降低，信号也随之减弱。

结果，你忘记了那个单词！一个令记忆研究者感到震惊的发现，让哥伦比亚大学的神经学家埃里克·坎德尔赢得了2000年诺贝尔奖。

这个发现就是，不断重复激活或者练习，会让突触自发肿胀，建立更强的联系。一个神经细胞就像一棵树，突触就是生长的分支，而最终树干会长出新的分支，即会有更多的突触进一步巩固相互间的联系。这些变化是突触可塑性（synaptic plasticity）这一细胞适应机制的一种表现形式，而BDNF则在其中起到重要作用。

很早以前，研究者发现往皮氏培养皿内的神经细胞上撒些BDNF，细胞就会自发生成新的分支，学习需要相同的构造性成长，这也促使我们把BDNF视为“大脑的优质营养肥料”：BDNF是思想、情感和运动之间至关重要的生物学纽带。

大脑与身体的联结

人类在进化时，从生理技能发展出许多抽象能力：预测、排序、评估、计划、复述、观察自我、判断、纠错、转变策略以及记住我们为生存而做的每件事。我们的古代祖先钻木取火的大脑回路，与我们今天学习英语的大脑回路并没有两样。

小脑能够协调运动，使我们做到从网球接发球到抵抗重力作用的任何事，这种运动中枢神经对思维、注意力、情感，甚至是社交技能也同等重要。我称小脑是节奏蓝调中心。

当我们在做运动，特别是复杂的运动时，我们同时也在锻炼与一整套认知功能密切相关的大脑区域；我们能促使大脑发出的信号沿着相同的神经细胞网络传导，巩固神经细胞之间的联系。

当我们学习时，一系列相互关联的脑部区域都被调动起来。如果没有前额叶皮质的监督，海马就不会积极参与。前额叶皮质如同大脑的首席执行官，要与其他各个区域紧密联系。

海马则有点儿像绘图师，它从工作记忆区域接收信号输入后，与现有记忆相互比对，在形成新的关联之后，再向“首席执行官”汇报。科学家认为，记忆就是分散在大脑各处信息片段的集合。海马担任中转站的角色，从皮质接收信息片段，接着把它们捆扎在一起，然后再把它们汇集成一幅独一无二的、新颖的连接地图。

比如，当我们学习一个新单词时，大脑扫描图显示，前额叶皮质会因活跃而发亮。一旦通过谷氨酸盐的释放来建立神经回路，我们就学会了这个单词，前额叶皮质就会逐渐变暗。在完成对这个计划开始阶段的监管后，前额叶皮质会放松对这组优秀“雇员”的监督，继而转向新挑战。

我们就是这样逐渐认识事物的，就是这样让骑自行车这类活动成为一种习惯的。思考和运动的模式被自动储存于基底核、小脑和脑干这些原始区域。

运动让神奇的“脑细胞肥料”变多

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，但它说明了一切，即运动使整个大脑的优质营养肥料变多了。

这个研究的设计者卡尔·科特曼是加州大学欧文分校脑部衰老与老年痴呆研究所负责人。

“我原以为运动皮质、小脑、感觉皮质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，变化却出现在海马中。这个重要发现的意义在于，海马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。”

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ADHD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。

科特曼设计了一个实验，测量运动中的老鼠大脑BDNF水平的前提是它们是自愿运动的。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，再对它们进行脑扫描，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——海马上出现BDNF陡增时，他简直难以相信。“我当时说，‘不，伙计们，我们肯定出错了！海马活跃性增强了。我们必须重新做这个实验，这太不可思议了。’”之后，他们重做了这个实验，但还是得到了同样的结果。

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。

“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，如果身体健康，你就能更有效地学习和工作。”

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，那些因基因变异导致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。

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1600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做出反应，而反应的对象早已经存在了。”

毫无疑问，关键在于这样东西是什么。

运动能为大脑制造替换零件，诱发神经新生

随着突触可塑性的概念渐渐受到神经科学领域的认可，一种关于增生的更为激进的观点逐渐变得可信。

20世纪大部分时间里，科学界坚持信奉大脑是一个在青春期就完全发育成熟的硬件。也就是说，我们出生时的神经元就是我们将来拥有的全部。我们可以随心所欲地重新调整突触，但神经元只会损耗，而且毫无疑问，我们还会加速神经元的衰退。

初中的生物老师可能会提出一个观点，这个观点会吓得你未到法定年龄就不敢饮酒，就是：“现在，你给我记住：酒精会杀死脑细胞，而脑细胞是永远不会再生长的。”

你猜结果怎么样？它们真的又生长了——而且达到数千个。科学家逐渐学会了使用那些先进的成像仪器来观察大脑，他们找到了确凿的证据，并在1998年公布了一篇有巨大影响力的论文。这个证据来源于一份不可思议的原始资料。

癌症患者有时需要注射一种染色剂，它会出现在增殖癌细胞里，便于跟踪癌细胞的扩散情况。观察那些捐献遗体的晚期癌症患者的大脑时，研究者发现他们的海马也充满了染色标记，这证明神经元就像身体其他细胞一样，正在分裂和增殖——这个过程被称为“神经新生”。

于是，科学界正式认定它为神经科学领域最大的发现之一。

曾经，从斯德哥尔摩到南加州，再到普林斯顿，各地的神经学家们都争先恐后要找出我们的新生脑细胞到底有什么作用，因为它的意义是广泛而深远的，帕金森病以及阿尔茨海默病之类的退行性疾病的根本病因便源于神经细胞的死亡和受损。

老化本身就包括细胞的死亡，然而我们突然认识到，至少在大脑某些区域中存在一个内部的对抗手段。或许一旦搞清如何快速启动神经新生，我们就能为大脑制造出替换零件。

加州索尔克研究所的神经学家弗雷德·盖奇说：“设法弄明白神经新生到底有什么作用，这真的是一个有趣的难题。”1998年，瑞典人彼得·埃里克森领导了这个关键性研究，而盖奇是和他一起工作的研究人员之一。

新生的神经元是完全空白的干细胞，要经历一个发育过程才能形成神经细胞。在这个过程中，它们必须找到事情做才能生存下来，但大多数都没有成功。一个新生的细胞要经过28天才能加入一个神经网络中：如果不使用新生的神经元，我们就会失去它们。

盖奇重新运用环境优化模型在啮齿目动物身上验证了这个观点：“我们需要耍手段得到实验结果，但令我们吃惊的是，仅仅在笼子里放一个转轮，就能对新生神经细胞的数量产生显著影响。而讽刺的是，跑步组的神经细胞死亡率和对照组一样，所不同的仅仅是前者的细胞储备库比较雄厚而已。一个神经细胞要生存并加入神经系统中，就必须生长出它的轴突。”

运动导致大量神经元产生，而环境优化的刺激则有助于神经元的存活。

第一个在神经新生与学习之间建立明确关联的人是盖奇的同事汉丽埃塔·布拉格。他们在一个水池中装满不透明的水，水刚刚淹没水池角落里的平台。老鼠不喜欢水，研究者用实验来测试它们对平台的斜坡，即逃生路线的记忆程度如何。

研究者对不运动的老鼠和每晚在转轮上跑4~5千米的老鼠进行了比较，结果显示，运动的老鼠记住了在哪里能迅速找到安全地带。虽然两组老鼠的游泳速度相同，但运动的老鼠能径直朝平台游去，而不运动的老鼠则在水中四处乱撞后才找到平台。

研究者解剖老鼠后发现，运动的老鼠海马中新干细胞的数量是不运动的老鼠的两倍。总结实验结果时，盖奇说：“细胞总数和一只老鼠进行复杂任务的能力之间有显著关系。一旦神经新生受阻，老鼠就无法回忆信息。”

虽然研究对象是啮齿目动物，但我们知道这项研究可能与内珀维尔校区的体育课有一定的关联：体育课为大脑提供学习所需的最佳工具，而课堂上的学习刺激又促使那些新生的神经细胞连接到神经网络中。

做出运动选择：兼顾技巧训练和有氧训练

现在，你已经知道运动如何在三个层面提高学习能力：

首先，它完善你的思维模式以提高警觉力、注意力和驱动力；其次，它让神经细胞准备就绪，并促使它们相互连接起来，这是连通新信息的细胞基础；最后，运动激发海马的干细胞分化成新的神经细胞。

不过现在你一定还想知道什么是最佳的运动计划。我倒希望能给你一个强健大脑的理想运动模式和运动量，可是科学家也刚开始探索这类问题。“还没有人完成这样的研究，”威廉·格里诺说，“但据我看，5年后我们的收获会更多。”

不过我们还是可以从现有研究中得出肯定的结论。科学家能确定的一点是，在进行高强度运动的同时，你无法学会复杂的事情。因为这时血液都从前额叶皮质分流出去了，妨碍了你的执行功能。

比如，让大学生一边在跑步机或健身单车上坚持20分钟高强度锻炼、心率达到最大心率的70%~80%的同时，一边进行综合学习测试，结果并不理想。不过，一旦你运动完，血液几乎会立刻回流，如果有需要敏锐思维和复杂分析力的事情，这时就正是注意力集中的最佳时刻。

2007年有一个著名的实验证实，在跑步机上完成一次35分钟、心率达到最大心率的60%或70%的锻炼后，被试的认知灵活性大大增强。

认知灵活性是一种很重要的执行功能，它反映出我们改变想法的能力及源源不断地产生创造性思维和答案的能力，而不是照搬常见的回答。在进行一些智商要求高的工作时，这种特性与高效率有关。所以，如果你计划某天下午参加一次需要集思广益的重要会议，那么在午饭时间来一次快速短跑无疑是个妙招。

我在本章中大量提到的这些研究都以运动对海马的影响为主要内容，运动也由于在形成记忆方面起到的作用，成为学习的关键因素。

那么，你需要多少有氧运动来保持健康的体形呢？日本的一项小规模的科学研究发现，每周慢跑2次、每次30分钟，那么12周的时间就能增强大脑的执行功能。关键是，要综合某种形式的活动，这种活动需要协调的不仅仅是双脚。

几年前，格里诺做过一个实验。在实验中，他教一些老鼠学习复杂的控制技能，比如走平衡木、在不稳定物体上行走以及攀爬弹性绳梯等。格里诺对跑步的老鼠和学习杂耍的老鼠进行了比较。经过两周的训练，学习杂耍的老鼠的小脑内BDNF增加了35%，而跑步的老鼠的那个区域却没有任何变化。

这扩展了我们从神经新生研究所获得的成果：有氧运动和复杂活动分别对我们大脑产生了不同的有益影响。好消息是它们之间是互补的。

“重要的是，把两者都考虑进来。”格里诺说，“虽然证据并不完美，但说真的，你的养生之道一定要包括技巧学习和有氧运动。”

我要建议大家的是，要么选择一种能同时锻炼心血管系统和大脑的运动——网球就是个好运动；要么在攀岩或平衡练习这类无氧技巧型活动前，做10分钟有氧热身操。

有氧运动能增加神经递质、建立新的血管来输送生长因子，促使新细胞的生成；通过经强化与拓展的神经网络，复杂的活动让所有这些元素都投入使用。

活动越复杂，突触的联系也越复杂。即使这些神经回路是在运动中建立的，在思考时，它们也能被其他区域激活利用。这就是会弹钢琴的孩子为什么学数学更容易。前额叶皮质会吸纳身体技能产生的心理力量，并在其他情况下发挥作用。

学习瑜伽的姿势、芭蕾舞的动作、体操的技巧、花样滑冰的基本原理、普拉提的弯曲动作、空手道的招数，所有这些活动的训练都能让大脑的全部神经细胞参与其中。比如关于舞蹈演员的研究证明，与有规则的舞蹈节奏相比，不规则的舞蹈节奏更能增强大脑的可塑性。

当我们不得不学习一种比走路更复杂的运动技能时，实际上这一学习过程刺激了我们的大脑。最初，你会有点儿尴尬和手足无措，但当连接小脑、基底核与前额叶皮质的神经回路开始变得活跃起来时，你的动作就会变得越来越精准。

随着不断重复与练习，神经纤维外面会形成更厚的髓鞘。髓鞘能够提高信号发送的质量和速度，继而提高神经回路的效率。

以空手道为例，当你将某些招式练得炉火纯青后，你可以把它们组合成更复杂的动作；而不久之后，你又会对新招数产生新反应。

这也同样适用于学习探戈，你必须回应舞伴，这对你的注意力、判断力和动作精确度都提出了更高的要求，而情况的复杂性是呈指数级增长的。

只要再加点儿乐趣和人际互动，你就能使大脑和肌肉完全参与到整个学习过程中。然后你会准备好迎接下一个挑战，整个过程就是这样。