鍛鍊你的肌肉就是鍛鍊你的腦
運動 和學習是密不可分的。體育活動不僅促進了新腦細胞的誕生，還產生了促進學習的智能化學物質。了解如何在保持身體（和大腦）健康時獲得好處。
我們的身體被設計為需要被環境推動著向前，當我們推動我們的身體時，我們也在推動我們的大腦。學習和記憶的進化與我們祖先追踪食物的 運動 功能一致。就我們的大腦而言，如果我們不動，就沒有真正需要學習任何東西。
在研究運動和注意力缺陷障礙（ADHD 或 ADD）時，我們了解到運動可以在三個層面上改善學習：它藉由提高警覺性、注意力和動力來優化您的心態。它準備並鼓勵神經細胞相互結合，這是學習新信息的細胞基礎。它還刺激海馬迴幹細胞中新神經細胞的發育，海馬迴是與記憶和學習相關的大腦區域。
一些先進的學校已經做過運動實驗，以了解課前訓練是否能提高孩子的閱讀能力和其他科目的表現。你猜怎麼著？確實如此。
我們現在知道，用神經科學家的話來說，大腦是靈活的，或者說是可塑性的——更像是橡皮泥而不是瓷器。它是一種適應性強的器官，可以藉由輸入來塑造，就像練習舉起槓鈴來塑造肌肉一樣。你使用得越多，它就會變得越強大和靈活。
我們的大腦並非像科學家曾經設想的那樣：裡面的腦神經電路被焊成不能改變的電路板，而是可以不斷地被重新連線。我在這裡教您如何成為自己的電工，重塑您的大腦迴路。
運動：大腦的靈藥？
這完全跟溝通有關。大腦由一千億個不同類型的神經元組成，它們通過數百種不同的化學物質相互交流，控制我們的思想和行為。每個腦細胞可能會在發出自己的信號之前接收來自十萬個其他腦細胞的輸入。細胞分支之間的連接點是突觸，這，就是見真章的地方。它的工作方式是電信號沿著軸突（輸出分支）向下發射，直到它到達突觸，神經遞質在突觸處以化學形式攜帶訊息穿過突觸間隙。另一方面，在突觸或接收分支處，神經遞質插入受體——就像鑰匙插入鎖一樣——這會打開細胞膜中的離子通道，將信號轉回電流。
大腦中大約 80% 的信號傳導是由兩種相互平衡的神經遞質執行的：谷氨酸激發活動以開始信號的串接聯繫，γ-氨基丁酸 (GABA) 則抑制活動。當谷氨酸在兩個以前沒有說過話的神經元之間傳遞信號時，就會啟動之間的關聯。連接動作的次數越多，吸引力就越強。如同神經學家赫布的名言所說，「一起激發的神經元，就會連在一起」（fire together, wire together）。 這使得谷氨酸成為學習的關鍵成分。
精神病學更多地關注一組充當調節器（在信號傳遞過程中，以及除了大腦所做的其他一切過程）的神經遞質——就是血清素、去甲腎上腺素和多巴胺。儘管產生它們的神經元只佔大腦千億個細胞的百分之一，但這些神經遞質具有強大的影響力。它們可能會指示神經元製造更多的谷氨酸，或者它們可能使神經元更有效率或改變其受體的敏感性。它們可以降低大腦中的「雜音」，或者反過來放大這些信號。
我告訴人們，跑步就像服用一點百憂解和一點利他能，因為和藥物一樣，運動會提升這些神經遞質。這是一個方便的比喻來理解這一點，但更深層次的解釋是運動平衡了神經遞質——以及大腦中的其他神經化學物質。
大腦如何學習和創造記憶
與神經遞質一樣重要的是，在過去的 15 年中，還有一類主分子極大地改變了我們對大腦連接的理解。我說的是一個被稱為「因子」的蛋白質家族，其中最突出的是腦源性神經營養因子 (BDNF)。 神經遞質執行信號傳導，而神經營養因子，如 BDNF，則構建和維護基礎設施本身。
一旦研究人員清楚 BDNF 存在於海馬迴中，即與記憶和學習相關的大腦區域，他們就開始測試它是否是該過程中的必要成分。學習需要通過一種稱為長時程增強 (LTP) 的動態機制來增強神經元之間的親和力。當大腦被要求接收信息時，這種需求自然會引起神經元之間的活動。活動越多，吸引力就越強，信號就越容易觸發並建立聯繫。
假設你正在學習一個法文單字。當你第一次聽到它時，為新電路招募的神經細胞會在彼此之間發出谷氨酸信號。如果你不再練習這個詞，所涉及的突觸之間的吸引力就會減弱，從而削弱信號。然後你就忘記這個字了。
令記憶研究人員感到驚訝並為哥倫比亞大學神經科學家埃里克坎德爾贏得了 2000 年諾貝爾獎的發現是，反複刺激或練習會導致突觸本身膨脹並建立更牢固的連接。神經元就像一棵樹，它不是葉子，而是沿著它的樹突分支有突觸。最終新的分支發芽，提供更多的突觸以進一步鞏固連接。這些變化被稱為突觸可塑性，這是 BDNF 佔據中心位置的地方。
早期，研究人員發現，如果他們將 BDNF 灑在培養皿中的神經元上，細胞會自動長出新的分支，從而產生學習所需的相同結構生長。我將 BDNF 稱為大腦的「肥料」。BDNF 還與突觸處的受體結合，釋放離子流以增加電壓並立即提高信號強度。在細胞內，BDNF 的活化需要產生更多 BDNF 的基因，以及構建突觸的血清素和蛋白質。BDNF 也指揮交通和設計道路。總體而言，它改善了神經元的功能，促進了它們的生長，並加強和保護它們免受細胞死亡的自然過程。
你的身體越多 運動 ，你的大腦功能就越好
那麼大腦是如何增加 BDNF 的供應的呢？運動。1995 年，我正在為我的書《大腦用戶指南》做研究，當時我在《自然》雜誌上看到一篇關於小鼠運動和 BDNF 的單頁文章。它短到幾乎只有一列文字，但它說明了一切。根據該研究的作者、加州大學歐文分校腦衰老和癡呆研究所所長卡爾科特曼的說法，運動似乎可以提升整個大腦的「肥料」或 BDNF 的濃度。
既然證明了運動激發了學習過程的主要分子 BDNF，科特曼也就確定了運動與認知功能之間的生物學聯繫。他建立了一個實驗來測量運動的老鼠大腦中的 BDNF 濃度。
與人類不同，囓齒動物似乎天生喜歡體力活動，而科特曼的老鼠每晚可以跑幾公里。當他們的大腦被注射一種與 BDNF 結合的分子並進行掃描時，不僅運行囓齒動物的掃描顯示 BDNF 比對照組有所增加，而且每隻老鼠跑得越遠，濃度越高。
隨著 BDNF 和運動的故事一起發展，很明顯，這種分子不僅對神經元的生存很重要，而且對它們的生長（發芽新分支）也很重要，因此對學習也很重要。科特曼表示，運動有助於大腦學習。
「運動的一個顯著特點，有時在研究中不被重視，是學習速度的提高，我認為這是該帶回家的一個很酷的好消息，」科特曼說。「因為它告訴我們，如果你身體狀況良好，你可能能夠更有效地學習和發揮作用。」
事實上，在 2007 年的一項研究中，德國研究人員發現，人們在運動後學習詞彙的速度比運動前快 20%，而且學習速度與 BDNF 濃度直接相關。除此之外，具有剝奪足夠 BDNF 濃度的基因變異的人更有可能存在學習缺陷。沒有這個 「肥料」，大腦就會對世界關閉。
這並不是說跑步會讓你變成天才。「你不能只注入 BDNF 並變得更聰明，」科特曼指出。「透過學習，你必須以不同的方式對某些事情做出反應。但東西必須在那裡。」毫無疑問，那是什麼東西很重要。
發現改變大腦的力量
追溯科學家們一直到拉蒙．卡哈爾（Ramón y Cajal）：他提出中樞神經系統由單個神經元組成，這些神經元在他所謂的「極化連接」處進行交流而獲得了 1906 年諾貝爾獎。理論化了學習涉及突觸的變化。儘管獲得了讚譽，但大多數科學家並不買賬。心理學家唐納德．赫布（Donald Hebb）偶然發現了第一個證據。
那個時候實驗室規則很寬鬆，顯然，赫布認為如果他帶一些實驗室老鼠回家作為他孩子的臨時寵物是沒關係的。事實證明，這種安排是互惠互利的：當他將老鼠送回實驗室時，赫布注意到，與關在籠子裡的同齡鼠相比，它們在學習測試中表現比較出色。被處理和玩弄的新奇體驗以某種方式提高了他們的學習能力，赫布解釋說這意味著它改變了他們的大腦。在他 1949 年廣受好評的教科書《行為的組織：一種神經心理學理論》中，他將這種現象描述為「依賴於使用的可塑性」。理論是突觸在學習的刺激下重新排列。
赫布的工作與運動息息相關，因為就大腦而言，體育活動被視為一種新奇的體驗。在 1960 年代，伯克利的一組心理學家將一個名為「環境富集」的實驗模型正式化為測試「依賴於使用的可塑性」的一種方法。 研究人員沒有將囓齒動物帶回家，而是在籠子裡裝上了玩具、障礙物、隱藏的食物和跑輪。他們還將動物分組在一起，這樣他們就可以社交和玩耍。
然而，這並不全是實驗室裡的和平與愛，最終囓齒動物的大腦還是被解剖了。實驗室測試顯示，生活在一個有更多感官和社會刺激的環境中，改變了大腦的結構和功能。與單獨關在籠子裡的老鼠相比，這些老鼠在學習任務上表現更好，而且牠們的大腦更重。
在 1970 年代初期的一項開創性研究中，神經科學家威廉．格林諾 (William Greenough) 使用電子顯微鏡發現，環境富集使神經元長出了新的樹突。學習、運動和社會接觸等環境刺激引起的分支導致突觸形成更多的連接，這些連接具有更厚的髓鞘。
現在我們知道，這樣的增長需要 BDNF。這種突觸的重塑對電路處理信息的能力產生了巨大的影響，這是一個非常好的消息。這意味著你有能力改變你的大腦。你所要做的就是綁好你跑鞋的鞋帶。
如何生長和培育新的神經元
在 20 世紀的大部分時間裡，科學教條認為，一旦大腦在青春期完全發育，大腦就會變成一塊印刷電路板般不會再改變——這意味著我們生來就有我們將要獲得的所有神經元。隨著生活的繼續，我們只能失去神經元。
但近年越來越多發現：神經元確實會透過稱為「神經新生」（neurogenesis）的過程重新生長——成千上萬個。它們像身體其他部位的細胞一樣分裂和繁殖。神經元是作為白板幹細胞出生的，它們經歷了一個發育過程，在這個過程中，它們需要找到一些事情來做才能生存。他們中的大多數個體沒有。一個剛剛起步的單元插入網絡大約需要 28 天。如果我們不使用新生的神經元，我們就會失去它們。運動會產生神經元，而豐富的環境有助於這些細胞存活。
神經新生和學習之間的第一個牢固聯繫來自索爾克研究所的神經科學家 Fred Gage 和他的同事 Henriette van Praag。他們用一個裝滿水的小水池，隱藏在一個平台下方作為陷阱。老鼠不喜歡水，因此該實驗旨在測試它們從較早的一次浸水中記住平台位置的程度，這是它們記住逃生路線的過程。將不活躍的老鼠與每晚跑四公里的其他老鼠進行比較時，結果清楚顯示，跑者能更快地記住在哪裡找到安全的地方。那些久坐不動的老鼠在弄明白之前得多掙扎一下。
解剖小鼠後，活躍的小鼠海馬迴中的新幹細胞數量是不活躍的小鼠的兩倍。談到他們的發現時，蓋奇說：「細胞總數與執行複雜任務的能力之間存在顯著相關性。如果你阻斷神經新生，老鼠就無法回憶訊息。」
儘管所有這些研究都是在囓齒動物身上完成的，但你可以看到它與那些在上課前練學生身體的先進學校可能有什麼關係：體育課為大腦提供了正確的學習工具，而孩子們課堂上的刺激鼓勵了那些新開發的細胞插入網絡，在那裡它們成為訊號社區的重要成員。神經元被賦予了使命。似乎在運動中產生的細胞更能激發這個過程。
有人想一起去跑一圈嗎?
