近年大量研究發(fā)現(xiàn)，體育運動能改變大腦和認(rèn)知功能，有助健康老人和神經(jīng)退行性疾病患者。然而，我們對于其中機(jī)制所知甚少， 缺乏理論基礎(chǔ)。

最近， Raichlen和Alexander （2017）提出一個進(jìn)化神經(jīng)科學(xué)理論模型 （Adaptive CapacityModel, ACM），以解釋運動如何影響人類腦功能和認(rèn)知能力 （見下圖）。

作者認(rèn)為，在進(jìn)化史中，人類在覓食的過程中需要各種認(rèn)知能力（如記憶、空間探索和執(zhí)行功能）和有氧運動。在這個過程中，神經(jīng)系統(tǒng)對動作行為或運動刺激的反應(yīng)得以增強(qiáng)。在現(xiàn)今工業(yè)化社會， 部分人類長期活動不足，神經(jīng)系統(tǒng)需要節(jié)省能量，作為他用，最后導(dǎo)致老化相關(guān)的腦萎縮。ACM提供了一個可行的研究框架，解釋了為何不同運動/認(rèn)知訓(xùn)練會導(dǎo)致不一樣的結(jié)果。

腦健康的進(jìn)化神經(jīng)科學(xué)觀點

在200萬年前，人類祖先從不愛活動的類人猿生活模式轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰^大的體力活動的狩獵采集生活方式。從那時開始，人類生理生化系統(tǒng)在日常帶氧運動下不斷演化，而我們需要運動以保持健康也可能源自于此。

健康與體力活動之間的關(guān)系與生理系統(tǒng)適應(yīng)刺激的能力有關(guān)。生理系統(tǒng)的效能變化與需求有關(guān)，而這效能變化受“能量成本”所限。在缺乏刺激下，降低生理系統(tǒng)效能是一種具有適應(yīng)性的做法，因為這能降低代謝，解放能量用以其他生物過程，增加繁衍成功率。

人類生理系統(tǒng)特別適應(yīng)狩獵采集生活所需的帶氧運動。在現(xiàn)今社會，人類活動量減少，身體系統(tǒng)效能降低，增加患上長期疾病的風(fēng)險。根據(jù)現(xiàn)代狩獵采集人群的體力消耗估算，古人狩獵采集生活應(yīng)為一種長期的中等強(qiáng)度帶氧運動，因此，我們的生理系統(tǒng)應(yīng)該是比較適應(yīng)這個運動強(qiáng)度。由于人類在長時間內(nèi)還沒有適應(yīng)長期不運動的生活方式（人類的天性就是移動，活動，運動，“三動”），我們的生理系統(tǒng)會在活動量較少時容易出現(xiàn)長期疾病等問題，與認(rèn)知和腦退化也有一定相關(guān)。

生理系統(tǒng)效能演化的必須條件是，對運動的生理反應(yīng)必須是可遺傳的。在人類研究中，研究者發(fā)現(xiàn)我們對運動的生理反應(yīng)是可遺傳的，有著一定的個體差異，只有極少數(shù)人的生理系統(tǒng)對運動不產(chǎn)生適應(yīng)現(xiàn)象。

在動物研究中，研究者通過人工選擇的方法，讓高運動量的老鼠互相交配或隨機(jī)把不同運動量的老鼠進(jìn)行交配。結(jié)果顯示，相比隨機(jī)交配的老鼠，只讓高運動量的老鼠進(jìn)行交配更能產(chǎn)出對運動敏感生理系統(tǒng)的后代， 而它們的心臟和肺質(zhì)量也較大。

ACM模型

前人的理論一般基于低活動量的生活模式，認(rèn)為增加運動量能促進(jìn)腦健康。然而，ACM理論則認(rèn)為，長期接受運動刺激才能維持大腦效能，運動刺激不足則會導(dǎo)致大腦效能下降，是一個節(jié)省能量的現(xiàn)象。ACM的一個重點是找出維持腦功能的有效刺激。

結(jié)合運動和認(rèn)知活動是維持或增強(qiáng)神經(jīng)效能的關(guān)鍵，長期參與運動和較高水平的認(rèn)知活動有助保護(hù)大腦，避免節(jié)省能量相關(guān)的腦萎縮。運動涉及多種運動和知覺能力，而在復(fù)雜環(huán)境中運動，則額外需要執(zhí)行功能，如策劃、抑制、監(jiān)控和注意操控能力。隨著運動速度增加，這些任務(wù)對大腦的加工需求也會上升。此外，運動本身也是一種需要認(rèn)知能力的任務(wù)。例如，在覓食過程中，運動者需要用上記憶和空間探索等能力。

運動能通過產(chǎn)生腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain derived neurotrophic factor, BDNF）觸發(fā)神經(jīng)元生長以應(yīng)付將來的認(rèn)知需求。認(rèn)知挑戰(zhàn)和接觸新的經(jīng)驗有助新神經(jīng)元存活。

近年的動物研究發(fā)現(xiàn)，運動中的肌肉會產(chǎn)生肌肉因子，肌肉因子除了調(diào)控代謝和增強(qiáng)肌功能外，還會增加BDNF水平。運動觸發(fā)的生化機(jī)制從肌肉開始，當(dāng)有認(rèn)知需求時，大腦會參與到這個生化機(jī)制中。在運動不久后，如果出現(xiàn)多個認(rèn)知需求，之前觸發(fā)的生化機(jī)制會在大腦層面產(chǎn)生正面作用，增強(qiáng)覓食成功率。認(rèn)知需求較小的任務(wù)不能最大化利用這個生化機(jī)制。運動本身有一定認(rèn)知需求，因此，單是運動（沒有高級認(rèn)知能力）也能保存部分新生的神經(jīng)元。

（ACM模型的機(jī)制。來源：Raichlen & Alexander, 2017）

基于ACM模型，運動主要對覓食相關(guān)的腦功能/認(rèn)知功能有所幫助。相較產(chǎn)生新的神經(jīng)元，增強(qiáng)相關(guān)腦區(qū)的白質(zhì)連接是一個更為有效的方法。當(dāng)運動量下降，這些腦區(qū)最早出現(xiàn)退化現(xiàn)象。因此，我們常在老人大腦中觀察到較小的額葉和顳葉，這些都與他們較低的運動量有關(guān)。ACM認(rèn)為這是一種為了節(jié)省能量的適應(yīng)性生理反應(yīng)。

現(xiàn)有的動物和人類研究結(jié)果符合ACM的預(yù)測。動物研究發(fā)現(xiàn)，在運動不久后進(jìn)行認(rèn)知任務(wù)更能保存新生的神經(jīng)元。加入認(rèn)知任務(wù)的時間對結(jié)果有一定影響。新神經(jīng)元存活數(shù)目與運動結(jié)束到認(rèn)知任務(wù)開始的時間存負(fù)相關(guān)。

另外，相較高強(qiáng)度運動，中強(qiáng)度運動更能增強(qiáng)空間記憶和海馬神經(jīng)元生長。在人類研究中，元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較只進(jìn)行運動訓(xùn)練，結(jié)合運動和認(rèn)知訓(xùn)練對認(rèn)知能力的提升更為明顯。另外，運動結(jié)束到認(rèn)知任務(wù)開始之間的時間越小，認(rèn)知能力的增長一般越大。同時進(jìn)行運動和認(rèn)知訓(xùn)練能更有效的增強(qiáng)認(rèn)知能力。研究者應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)讓受試者一邊在實驗室內(nèi)騎車一邊觀察騎車時路況變化。他們發(fā)現(xiàn)相較沒用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的騎車者，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的受試者的執(zhí)行功能得以提升，而這能力變化與BDNF水平增長有關(guān)。

在老人中，在跑步機(jī)上進(jìn)行低強(qiáng)度步行的同時進(jìn)行虛擬空間探索任務(wù)更能增強(qiáng)探索能力。結(jié)構(gòu)核磁共振結(jié)果更顯示，相比只進(jìn)行低強(qiáng)度步行的老人，這些老人的海馬萎縮情況較小。這些結(jié)果與ACM的預(yù)測一致，顯示結(jié)合運動和認(rèn)知需求較大的任務(wù)能對人類大腦帶來更大的影響。運動與認(rèn)知任務(wù)之間的時間十分重要，時間過長對認(rèn)知能力的影響有限。

對身體和大腦鍛煉者的啟發(fā)

道理很簡單。體育鍛煉對提高大腦功能有幫助；認(rèn)知訓(xùn)練對大腦功能也有幫助。體育鍛煉同時加上認(rèn)知訓(xùn)練，效果更好。例如，我們一開始可以一邊小跑，一邊背誦九九口訣或記憶外語單詞（會有些難度）；慢慢過渡，我們可以一邊跑步，散步，或游泳，一邊考慮一些復(fù)雜的事情（當(dāng)然，安全第一）。

跑步的路線也要經(jīng)常變化，避免千篇一律地在一個路線上運動。一路上要盡量欣賞沿途的景色，盡量地記憶下來（例如，2018年古鎮(zhèn)鎮(zhèn)半程馬拉松）。小朋友們經(jīng)常玩的“捉迷藏”，就是一邊走或跑的情況下，一邊尋找自己的小伙伴，這對他們的身心健康也有幫助。

其實，我們的腦適能訓(xùn)練就是遵循ACM的原理。

我們一邊完成一些簡單的身體動作，激活大腦的相關(guān)部位，同時練習(xí)者還要高度關(guān)注動作的幅度，方向，感覺，和作用等（認(rèn)知和感知訓(xùn)練任務(wù)）。這樣才能達(dá)到最佳的練習(xí)效果。

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（文/陳承宇，吳嘉敏，嚴(yán)進(jìn)洪）

參考文獻(xiàn)

Raichlen, D. A., & Alexander, G. E. (2017). Adaptive capacity: anevolutionary neuroscience model linking exercise, cognition, and brain health.Trends in Neurosciences, 40(7), 408-421.

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