近年大量研究發(fā)現(xiàn)，體育運動能改變大腦和認知功能，有助健康老人和神經(jīng)退行性疾病患者。然而，我們對于其中機制所知甚少， 缺乏理論基礎。
最近， Raichlen和Alexander （2017）提出一個進化神經(jīng)科學理論模型 （Adaptive CapacityModel, ACM），以解釋運動如何影響人類腦功能和認知能力 （見下圖）。
作者認為，在進化史中，人類在覓食的過程中需要各種認知能力（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得以增強。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，最后導致老化相關的腦萎縮。ACM提供了一個可行的研究框架，解釋了為何不同運動/認知訓練會導致不一樣的結(jié)果。
腦健康的進化神經(jīng)科學觀點
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系與生理系統(tǒng)適應刺激的能力有關。生理系統(tǒng)的效能變化與需求有關，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為一種長期的中等強度帶氧運動，因此，我們的生理系統(tǒng)應該是比較適應這個運動強度。由于人類在長時間內(nèi)還沒有適應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，與認知和腦退化也有一定相關。
生理系統(tǒng)效能演化的必須條件是，對運動的生理反應必須是可遺傳的。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把不同運動量的老鼠進行交配。結(jié)果顯示，相比隨機交配的老鼠，只讓高運動量的老鼠進行交配更能產(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，認為增加運動量能促進腦健康。然而，ACM理論則認為，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)合運動和認知活動是維持或增強神經(jīng)效能的關鍵，長期參與運動和較高水平的認知活動有助保護大腦，避免節(jié)省能量相關的腦萎縮。運動涉及多種運動和知覺能力，而在復雜環(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知能力的任務。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)元生長以應付將來的認知需求。認知挑戰(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)控代謝和增強肌功能外，還會增加BDNF水平。運動觸發(fā)的生化機制從肌肉開始，當有認知需求時，大腦會參與到這個生化機制中。在運動不久后，如果出現(xiàn)多個認知需求，之前觸發(fā)的生化機制會在大腦層面產(chǎn)生正面作用，增強覓食成功率。認知需求較小的任務不能最大化利用這個生化機制。運動本身有一定認知需求，因此，單是運動（沒有高級認知能力）也能保存部分新生的神經(jīng)元。
（ACM模型的機制。來源：Raichlen & Alexander, 2017）
基于ACM模型，運動主要對覓食相關的腦功能/認知功能有所幫助。相較產(chǎn)生新的神經(jīng)元，增強相關腦區(qū)的白質(zhì)連接是一個更為有效的方法。當運動量下降，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。ACM認為這是一種為了節(jié)省能量的適應性生理反應。
現(xiàn)有的動物和人類研究結(jié)果符合ACM的預測。動物研究發(fā)現(xiàn)，在運動不久后進行認知任務更能保存新生的神經(jīng)元。加入認知任務的時間對結(jié)果有一定影響。新神經(jīng)元存活數(shù)目與運動結(jié)束到認知任務開始的時間存負相關。
另外，相較高強度運動，中強度運動更能增強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)，相較只進行運動訓練，結(jié)合運動和認知訓練對認知能力的提升更為明顯。另外，運動結(jié)束到認知任務開始之間的時間越小，認知能力的增長一般越大。同時進行運動和認知訓練能更有效的增強認知能力。研究者應用虛擬現(xiàn)實技術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)實技術的騎車者，使用虛擬現(xiàn)實技術的受試者的執(zhí)行功能得以提升，而這能力變化與BDNF水平增長有關。
在老人中，在跑步機上進行低強度步行的同時進行虛擬空間探索任務更能增強探索能力。結(jié)構(gòu)核磁共振結(jié)果更顯示，相比只進行低強度步行的老人，這些老人的海馬萎縮情況較小。這些結(jié)果與ACM的預測一致，顯示結(jié)合運動和認知需求較大的任務能對人類大腦帶來更大的影響。運動與認知任務之間的時間十分重要，時間過長對認知能力的影響有限。
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；認知訓練對大腦功能也有幫助。體育鍛煉同時加上認知訓練，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，一邊考慮一些復雜的事情（當然，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，激活大腦的相關部位，同時練習者還要高度關注動作的幅度，方向，感覺，和作用等（認知和感知訓練任務）。這樣才能達到最佳的練習效果。
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（文/陳承宇，吳嘉敏，嚴進洪）
參考文獻
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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