运动是如何改造我们的大脑？
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来源：微信公众号：丘脑大叔（ID：RoseVorchid）
早上好，我是脑叔，一个爱聊脑的家伙。
运动如何改造我们的大脑，换句话说，运动是怎么改造我们大脑的？
提出这个问题的前提是，你已接受或者至少是认识到运动是可以改造大脑的。想要回答清楚这个问题，我们可以先看一下，运动与我们大脑的关系。
01
我们一直在走
我们人类走了很久，也走了很远。当我们祖先所居住的热带雨林开始不断萎缩，当地的粮食供应不足时，他们被迫开始了四处迁徙，去寻找更多的绿色植物，去采摘更多的野果，那时的他们和其他动物没什么两样，都是靠天吃饭，脑袋没有像我们现在这么智慧，四肢并没有比其他动物发达。可以说在当时的生物界里，并不是很出色。就像在《让大脑自由》里描述的，我们的祖先们并没有在三维树木环境中爬上爬下的大量复杂技巧，面对着越来越干旱的气候，只能开始在干旱的二维大草原上走来走去寻找食物。
据著名人类学家理查德·兰厄姆（Richard Wrangham）解释，那时候成年男子每天大约走10～20千米，妇女则走大约一半的距离。
人类祖先在不断运动过程中面临着很多问题，有时可能是食物短缺问题，有时可能是生死存亡问题，可以说我们的大脑就是在不断解决这些问题的过程中得到了进化的。
"科学家估计，当时人类每天活动覆盖的地面距离为12英里，这意味着我们神奇的大脑是在人类不断解决问题的过程中，而不是在懒洋洋地躺着的过程中进化的。" --约翰·梅迪纳《让大脑自由》
在《人类简史》中，我们知道大约在200万年前，我们的直接祖先——智人，开始了以每年25英里左右的速度向外迁徙，以扩大领地范围。大约10万年前他们已经出现在东非，大约在7万年前智人开始从非洲出击，迁移到其他地区，不久他们的领地就到了欧洲和东亚，大约在45000年前，我们的祖先抵达了从未有人类居住的澳大利亚大陆，大约在1.2万年前到达阿根廷。
我们的祖先--智人，在完全没有地图以及工具的帮助下，穿越了河流、沙漠、丛林、山脉；在没有轮子、冶金技术的条件下造出了远洋航行的船只，然后利用最原始的导航技能，一路颠簸穿越了太平洋。考虑到我们祖先当时的生产力和生产工具以及当时居住的环境，可以说这可是一个非常了不起的壮举。
我们难以想象在这一路上，他们遇到了多少新奇事物，遭受了多少伤害，经历了各种奇怪的疾病，这一路他们没有其他特殊的工具来帮他们走出旧的家园，走向新的领地，只能靠走或跑—运动。
我们有理由相信，我们人类的大脑的进化就是发生在人类的不断运动中。
"鉴于在整个动物界中人类相对柔弱的特点(我们甚至没有足够的体毛来抵御夜晚轻度的寒冷), 这些数据告诉我们, 人类是以极高的身体形态成长起来的，否则我们根本就存活不下来。这些数据还告诉我们，人类的大脑，在永恒的运动中成为世界上最强大的大脑。" --约翰·梅迪纳《让大脑自由》
02
运动为什么能改造大脑？
在介绍运动为什么可以改造大脑前，我们先介绍一项来自美国加州教育部(CDE)的研究。CDE把学习成果的标准考试分数和体能测试（Fitness Gram）记录[插图]分数关联在一起。体能测试包括六个方面：有氧能力、人体脂肪比重、腹部的力量与耐力、躯干的力量和柔韧性、上身的力量以及整体柔韧性。如果学生某一方面达到最低要求，就能获得1分。因此体能测试的满分为6分。值得注意的是，它并不是评估一个学生的体能程度如何，而只是看他在每个方面是否符合要求。换而言之，这是一个及格与不及格的测试。
在过去五年，CDE的调研结果表明，体能成绩好的学生考试成绩也同样好。
精神生理学家查尔斯·希尔曼（CharlesHillman）对216名3~5年级学生进行了一次个人版本的CDE研究，结果同样发现体能和学习之间的关联性，而且发现体重指数和有氧健身间与学习成绩的关联关系尤为明显。
在认知能力测试中，学生戴着一个嵌有电极的类似泳帽的东西(脑电帽)，帽子上面的电极用来测定脑电波活动。脑电图（EEG）显示，体能好的学生大脑更活跃。这一结果表明，在完成一项指定的任务时，我们的大脑会让更多神经元参与到注意力上来。
上述的实验和结果来自于《运动改造大脑》。
我们的大脑由1000亿个类型各异的神经元(神经细胞)组成，神经元之间的信息传递是通过数百种不同类型的化学物质来完成的，神经元之间通过传递信息来控制我们每个人的思想和行为。
我们大脑中神经元的信息传递有着一套自己的工作机制，它们靠着这套机制，不停的将电信号从神经元的轴突传到到突触，然后通过神经递质穿过神经元间隙，传递到下一个神经元的树突。
"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---轴突(axon)，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，在下一个神经元的树突(dendrite)或接收分支上，神经递质与那里的特异性受体相结合，就像一把钥匙插进一把锁，由此打开了这个神经元细胞膜上的通道，并将这种信号转化为电流。如果这个神经元接收的电流负荷累计超过一定的阈值，那么它会发射出一束神经冲动信号，并沿着自己的轴突传导出去，重复上述整个过程。" --约翰·梅迪纳《让大脑自由》
常见的神经递质包括：
谷氨酸盐（glutamate）刺激神经冲动，开始一连串的信号传导；γ氨基丁酸（GABA）则抑制冲动。
血清素（serotonin），一种抑制性神经递质，最早于血清中发现，在脑皮层质及神经突触内含量很高。血清素能增强记忆力，保护神经元免受“兴奋神经毒素”的损害。
去甲肾上腺素是一种神经递质，科学家认为它会增强那些影响注意力、认知力、动机以及觉醒状态的信号。
多巴胺被视为是影响学习能力、奖励系统（满足感）、注意力和运动的神经递质，有时候它在大脑的不同部位会起到截然相反的作用。哌甲酯（Methylphenidate）（又叫利他林[Ritalin]）通过增加有镇静作用的多巴胺，来减轻注意力缺陷多动障碍（ADHD）。
-- 约翰·瑞迪（John Ratey）、埃里克·哈格曼《运动改造大脑》
在《运动改造大脑》中，作者举了一个例子，长跑1600米与服用极小剂量的百忧解(一种血清素药物)和极小剂量的利他林(通过增加有镇静作用的多巴胺，来减轻注意力缺陷多动障碍（ADHD）)的效果一样，这可以说明，运动也像这类药物一样可以提高神经递质的水平。换句话说，运动可以使大脑中的神经递质和其他化学物质之间达到平衡。
还有一类被泛称为因子的蛋白质家族的分子像神经递质一样，改变着神经细胞之前的互相联系，比如脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor，简称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。
BDNF和运动产生同步变化，也就是运动可以增加BDNF水平。
加州大学欧文分校（Universityof California, Irvine）脑部衰老与老年痴呆研究所（Institutefor Brain Aging and Dementia）主任卡尔·科特曼（Karl Cotman）设计了一项实验。
在这项实验里，实验动物--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。
而其他科学家比如艾罗·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）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。
这些实验的结论为“运动有助于大脑学习”提供了可靠证据。
换句话说这些实验证实了运动有助于提高BDNF的水平，而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。
所以科特曼总结“运动最显著的一个特征是，它能提高学习效率”。
参考：
https://natureactiveketo.org/exercise-for-the-brain/
https://darebee.com/fitness/exercise-intensity-effect-on-brain-function.html
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