大腦真的會長大

現代神經科學之父拉蒙·卡哈爾（Ramón y Cajal）提出中樞神經系統由獨立神經元組成，在被他稱為“極化接合點”的地方完成交流，拉蒙因此獲得了1906年的諾貝爾醫學獎。推崇其觀點的科學家提出學習與突觸變化密切相關的理論，盡管這一理論受到贊揚，但大多數科學家卻并不買賬。直到1945年，加拿大麥吉爾大學（McGill University）的心理學家唐納德·赫布（Donald Hebb）偶然中首次發現了可作為證據的跡象。那時實驗室的規定很松散，赫布覺得帶幾只實驗室老鼠回去給孩子做臨時寵物可能是個不錯的主意。結果，把老鼠重新帶回實驗室后，赫布發現，與關在籠子里的同類相比，這幾只老鼠非常擅于學習測試。被孩子們撫摸和嬉戲的新奇體驗以某種方式提高了它們的學習能力。赫布認為這種經歷改變了它們的大腦。在備受贊譽的教科書《行為的組織：一種神經心理學的理論》（The Organization of Behavior： a Neuropsy Chological Theory）中，他把這種現象描述為“使用–依賴可塑性”（usedependent plasticity），認為突觸在學習的刺激下會重新進行自我調整。

赫布的工作與運動密不可分。因為至少就大腦而言，體育活動算是新奇的體驗。20世紀60年代，加州大學伯克利分校的心理學家們把一種叫“環境優化”（environmental enrichment， EE）的實驗模型作為測試“使用–依賴可塑性”的手段。這次，研究人員沒有把老鼠帶回家，而是在它們的籠子里放置了玩具、障礙物、隱藏的食物以及轉輪。研究人員還把老鼠們聚集起來，以便它們能夠社交和玩耍。

然而實驗并非完全是充滿和平與愛心的，因為最終這些嚙齒目動物的大腦是要被解剖的。實驗表明，生活在一個有更多感官刺激和社會化刺激的環境中，老鼠的大腦結構和功能皆發生了改變。老鼠不僅能更好完成學習，相對那些住在空蕩蕩籠子里的同類，它們的大腦重量也重了許多。赫布對可塑性的定義并沒有包括神經元的增生。神經學家威廉·格里諾（William Greenough）讀研究生期間，對加州大學伯克利分校的研究有強烈的興趣，他回憶道：“那時候，要是從生理學上提出，大腦確實可以通過某些經歷而發生改變，那幾乎就等于異端邪說。”

格里諾想對“環境優化”項目做個調查，卻被一通警告而打消了那種念頭。他回憶說：“我的導師斬釘截鐵地對我說，如果你把那個研究作為畢業論文，那你肯定會四面楚歌。”隨著加州大學伯克利分校的研究結果被不斷復制，“運動影響大腦”的觀點也有了立足之地。哈佛大學的一個小組也用類似的研究從反面證實：環境的缺失會使大腦萎縮。通過手術將貓的一只眼睛縫合起來并飼養一段時間后，研究人員發現它們的視覺皮層明顯縮小。整個研究證實，用肌肉比喻大腦以及用進廢退的觀念是成立的。

這不但挑戰了生物學和心理學長期各自為政的局面，而且“環境優化”的社會意義是完全不同的。加州大學伯克利分校的研究促成了“開端計劃”（Head Start）的誕生。這是一項提供資金讓貧困孩子進入幼兒園的美國聯邦教育計劃。為什么必須讓貧困孩子離開空無一物的“籠子”？這個研究領域突然間備受歡迎，許多神經學家開始研究用不同的方法刺激大腦生長。

曾安心于在伊利諾伊州立大學舒舒服服做一名教員的格里諾重新回到這個研究領域。20世紀70年代早期，在一次具有重要影響力的研究中，他用一臺電子顯微鏡展示了“環境優化”可以促使神經元生長出新的樹突。學習、運動和社交活動刺激并引發了分支擴張，繼而促進其上的突觸形成更多的神經連接，而位于這些神經連接上的許多髓鞘也隨之加厚，髓鞘可以使神經連接更有效地釋放信號。

現在我們知道，這種增生需要BDNF。這種突觸的改建對神經回路處理信息的能力產生了巨大影響，顯然這是個好消息。這意味著，你有力量改變你的大腦，而且你要做的僅僅是穿上你的跑步鞋。

運動能為大腦制造替換零件，誘發神經新生

隨著突觸可塑性的概念漸漸受到神經科學領域的認可，一種關于增生的更為激進的觀點逐漸變得可信。20世紀大部分時間里，科學界堅持信奉大腦是一個在青春期就完全發育成熟的硬件。也就是說，我們出生時的神經元就是我們將來擁有的全部。我們可以隨心所欲地重新調整突觸，但神經元只會損耗，而且毫無疑問，我們還會加速神經元的衰退。初中的生物老師可能會提出一個觀點，這個觀點會嚇得你未到法定年齡就不敢飲酒，“現在，你給我記住：酒精會殺死腦細胞，而腦細胞是永遠不會再生長的。”

你猜結果怎么樣？它們真的又生長了——而且達到數千個。科學家逐漸學會了使用那些先進的成像儀器來觀察大腦，他們找到了確鑿的證據，并在1998年公布了一篇有巨大影響力的論文。這個證據來源于一份不可思議的原始資料。癌癥患者有時需要注射一種染色劑，它會出現在增殖癌細胞里，便于跟蹤癌細胞的擴散情況。觀察那些捐獻遺體的晚期癌癥患者的大腦時，研究者發現他們的海馬體也充滿了染色標記，這證明神經元就像身體其他細胞一樣，正在分裂和增殖——這個過程被稱為“神經新生”（neurogenesis）。于是，科學界正式認定它為神經科學領域最大的發現之一。

曾經，從斯德哥爾摩到南加州，再到普林斯頓，神經學家們都爭先恐后要找出我們的新生腦細胞到底有什么作用，因為它的意義是廣泛而深遠的，帕金森氏病（Parkinson’s）以及阿爾茨海默病之類的退行性疾病的根本病因便源于神經細胞的死亡和受損。老化本身就是一種細胞的死亡，然而我們突然認識到，至少在大腦某些區域中存在一個內部的對抗手段。或許一旦搞清如何快速啟動神經新生，我們就能為大腦制造出替換零件。

那么這對健康的大腦來說又意味著什么呢？其中一條關于神經新生的線索來自山雀研究。山雀在每年春天會學習新的鳴叫聲，而且在短期內，它們的海馬體上也顯示出新細胞的增生。這是巧合嗎？新生的細胞暗示其在學習中起到的某種作用，但我們很難得到這類證據。就像突觸的可塑性一樣，“神經新生顯然與我們和環境的相互作用有關，不僅僅在情感上，在認知上也有關系”。加州索爾克研究所（Salk Institute）的神經學家弗雷德·蓋奇（Fred Gage）說：“設法弄明白神經新生到底有什么作用，這真的是一個有趣的難題。”1998年，瑞典人彼得·埃里克森（Peter Eriksson）領導了這個關鍵性研究，而蓋奇是和他一起工作的研究人員之一。

新生的神經元是完全空白的干細胞（stem cell），要經歷一個發育過程才能形成神經細胞。在這個過程中，它們必須找到事情做才能生存下來，但大多數都沒有成功。一個新生的細胞要經過28天才能加入到一個神經網絡中。和已經存在的神經元一樣，赫布關于活動依賴性學習的概念將得到應用：如果我們不使用新生的神經元，我們就會失去它們。蓋奇重新運用環境優化模型在嚙齒目動物身上驗證了這個觀點。“開始進行這個實驗時，我們必須要同時處理各種各樣的問題。”蓋奇說，“我們需要耍手段得到實驗結果，但令我們吃驚的是，僅僅在籠子里放一個轉輪，就能對新生神經細胞的數量產生顯著影響。而諷刺的是，跑步組的神經細胞死亡率和對照組一樣，所不同的僅僅是前者的細胞儲備庫比較雄厚而已。一個神經細胞要生存并加入到神經系統中，就必須生長出它的軸突。”運動產生大量神經元，而環境優化的刺激則有助于神經元的存活。

數說運動

新生的神經元是完全空白的干細胞（stem cell），要經歷一個發育過程才能形成神經細胞。在這個過程中，它們必須找到事情做才能生存下來，但大多數都沒有成功。一個新生的細胞要經過28天才能加入到一個神經網絡中。

第一個在神經新生與學習之間建立明確關聯的人是蓋奇的同事漢麗埃塔·馮·布拉格（Henrietta van Praag）。他們在一個水池中裝滿不透明的水，水面剛剛淹沒水池角落里的平臺。老鼠不喜歡水，研究者用實驗來測試它們對平臺的斜坡，即逃生路線的記憶程度如何。研究者比較了不運動的老鼠和每晚在轉輪上跑4~5公里的老鼠，結果顯示，運動的老鼠記住了在哪里能迅速找到安全地帶。雖然兩組老鼠的游泳速度相同，但運動的老鼠能徑直朝平臺游去，而不運動的老鼠則在水中四處亂撞后才找到平臺。研究者解剖老鼠后發現，運動的老鼠海馬體中新干細胞的數量是不運動的老鼠的兩倍。總結實驗結果時，蓋奇說：“細胞總數和一只老鼠進行復雜任務的能力之間有顯著關系。一旦阻礙神經新生，老鼠就無法回憶信息。”

雖然整個研究的對象是嚙齒目動物，但我們知道實驗可能與內珀維爾校區的體育課有一定的關聯：體育課為大腦提供學習所需的最佳工具，而課堂上的學習刺激又促使那些新生的神經細胞連接到神經網絡中。只有在那里，它們才能成為信號傳遞系統中的重要成員。神經元被賦予一個使命，通過運動更好地激發LTP，似乎就會新生出大量的神經細胞，它們都是可塑之材。普林斯頓大學的神經學家伊麗莎白·古爾德（Elizabeth Gould）由此聯想到，也許新生神經元在保存我們的有意識思維方面起到了重要作用，而前額葉皮層則決定是否要把這些新神經元連接起來作為一個長期記憶。古爾德是首位證實靈長目動物長出新神經元的研究者，她的研究成果為人類神經新生的實驗創造了條件。

她和神經科學領域的其他學者一樣，還在分析神經新生和學習之間的關系，而運動已經成為一個重要的實驗工具。不過有趣的是，很少有科學家會因為對運動感興趣而去研究它，正如2006年公布的一份關于海馬體研究的文章標題所說，他們之所以喜歡讓老鼠跑步，是因為運動能“大大增加神經新生”，因此可以讓研究人員分析這一過程背后的一系列信號。這也是制藥公司制造藥物所必需的，他們一直夢想有一種治療老年癡呆癥的藥丸，能復活神經元以保存完整的記憶。最近，哥倫比亞大學的神經學家斯科特·斯莫爾（Scott Small）在以人為對象的研究中，利用核磁共振成像技術（MRI）跟蹤拍攝神經新生現象。他說：“海馬體里肯定有某種感知運動和語言的化學物質，好吧，讓我們開始快速制造新細胞吧！如果我們確定了那些分子途徑，也許我們就能想出聰明的辦法，從生化學角度誘導神經新生。”

試想一下要是他們把運動裝進一個瓶子里，會怎樣呢？