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这样运动,或能延缓大脑衰老
作者:admin 发布日期:2020-01-28 10:20

我们知道运动能提高身体机能,但是很少有人知道运动也能促进神经元的生成,对人类的大脑产生积极影响。而且,这种正面影响在人类衰老的过程中表现得非常明显,可能降低多种神经退行性疾病的患病风险。但是,一个非常关键的问题始终困扰着科学家:为什么运动会对大脑产生影响?最近,这个问题有了答案。

在20世纪90年代之前,科学家一直相信,大脑一旦发育成熟就会失去产生新神经元的能力。按照这种观点,人类在成年后只会不断失去神经元,而不会再生。可是,越来越多的证据显示,成年人的大脑仍然能够生成新的神经元。其中有一项小鼠实验尤其引人注目。科学家在实验中发现,只是让小鼠在轮子上跑步,就可以促进海马体中的神经元再生。

这项研究发表后,许多研究人员纷纷跟进,他们证实运动不仅能促进神经元的生成,对人类大脑也有积极影响。这种正面影响在人类正常的衰老过程中表现得非常明显,因此,运动或许可以降低阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病的患病风险。也因此,相关研究引出了一个非常关键的问题:为什么运动会对大脑产生影响?

布赖恩·克里斯蒂(Bryan Christie)设计

要回答这个问题,我们需要重新思考“运动”。人们通常会把散步或者跑步当成是一种不需要大脑参与的活动,认为那是身体“自动运行”的状态。可是,许多科学家(也包括我们)的研究表明,这种认识是错误的。相反,运动不仅是一种体力活动,同时也是一种认知活动。

事实上,体力活动与大脑健康之间的渊源可以追溯到数百万年前,这两者在人类作为一种物种诞生之初,就纠缠在一起了。如果我们能更明确地知道运动为什么可以影响大脑,以及如何影响,也许就可以利用与此相关的生理学机制,制定出全新的运动方案,帮助老年人提高认知能力——这就是我们正在推进的工作。

要弄清运动为什么对大脑有益,我们首先需要思考一些问题:哪些大脑结构和认知活动与运动的联系最紧密。20世纪90年代,弗雷德· 盖奇(Fred Gage)和亨丽特·范布拉格(Henriette Van Praag)正好执掌索尔克生物学研究所。当他们提出跑步能促进小鼠海马体的神经元再生时,很多研究人员认为这种现象似乎与一种被称为“脑源性神经营养因子”(BDNF)的蛋白质有关。BDNF的合成发生在全身的各个部位,包括大脑,这种分子的作用是帮助新生神经元存活,促进它们的生长。

索尔克生物学研究所的团队以及来自其他研究所的研究团队又做了进一步的实验。他们证实,在啮齿动物中,运动会促进神经元再生,而这些动物在记忆测试中也表现得更好。这项研究结果非常引人注意,因为海马体的萎缩与记忆力的衰退密切相关,在健康成年人的正常衰老过程中,这种现象一直在发生。而对于阿尔茨海默病等神经退行性疾病的患者而言,这种变化则更加明显。在这项动物实验中,研究人员首次窥见了运动是如何对抗衰老的。

在紧随其后的实验中,研究人员开展了一系列针对人体的研究。结果与啮齿动物研究的结论类似,有氧运动能够促进人体BDNF的分泌,强化大脑关键区域内的关键结构(指尺寸大小和连接程度这两方面),其中就包括海马体。美国伊利诺伊大学香槟分校的柯克·埃里克森(Kirk Erickson)和亚瑟·克雷默(Arthur Kramer)主导过一项随机临床试验。他们的结果显示:坚持有氧运动12个月,就可以提高老年人体内BDNF的水平,增大海马体的体积,改善记忆力。虽然目前我们还不能断定这种体积上的差异究竟是由神经元再生导致的,还是其他形式的大脑重塑现象(比如加强已有神经元之间的连接)导致的,但总体而言,运动对大脑海马体以及认知功能的益处显而易见。

运动可以使成年人的大脑产生有益的变化,包括促进新神经元的生成以及增加已有神经元之间的连接。有一种理论认为,运动之所以能够提高神经系统的可塑性,是因为运动能够促进一种名为“脑源性神经营养因子”(BDNF)的蛋白质的分泌,这种蛋白质可以促进神经元生长,帮助神经元存活。目前的研究显示,在运动中额外加入认知训练能够增强这种效应。

有氧运动对大脑其他部位的益处也已经被研究人员发现,比如可以扩大前额叶皮质,进而提升执行力。认知功能中的一部分恰好是由前额叶皮质实现的,包括计划、决策和多重任务处理等。执行力与记忆力类似,都会随人体的自然衰老而逐渐衰退,而阿尔茨海默病患者表现出的问题更严重。科学家怀疑,在前额叶皮质和其他非海马体的大脑区域内,运动或许可以通过增加已有神经元之间的连接(而不是促进新神经元生成)的方式,促进相关区域的表现。

直立行走的连锁反应

越来越多的证据显示,有氧运动可以促进大脑健康,尤其是对老年人而言。接下来,研究人员需要弄清,体力活动具体是以什么方式影响认知功能,从而触发大脑的适应性改变。

大约在600万到700万年前,我们与现今亲缘关系最近的物种(黑猩猩和倭黑猩猩等)走上了不同的道路,分化出了古人类(Hominins)。在分道扬镳的节点上,古人类演化出了许多解剖学和行为学上的适应性特征,这些适应性的改变使我们有别于其他灵长类动物。我们认为,有两种演化上的改变促成了运动和大脑功能之间的联系,直到今天,这些改变也对我们很有好处。

首先,我们的祖先行走的姿势发生了改变,从原来的四肢着地变成了上身正直,依靠两条后肢行走。两足行走意味着在很多情况下,我们的身体无法像其他类人猿一样手脚并用。为了实现这一点,我们的大脑必须能够处理随之而来的大量信息:在身体运动的过程中,控制全身所有肌肉,做出恰当的动作以维持平衡。此外,在协调双足运动的同时,我们还要留意周遭环境里的障碍物。换句话说,单纯因为双足行走的姿势,我们的大脑就要接受比四足行走的祖先更繁杂的认知挑战。

其次,为了适应更高强度的有氧活动,古人类改变了自己的生活方式。化石证据显示,在人类演化的早期阶段,我们的祖先主要食用植物,居住地点相对固定。但是,大约在200万年前,不断变冷的气候让曾经适宜的栖息地不再宜居。此时,至少有一支人类祖先改变了觅食的方式,开启了一段四处狩猎采集的新生活。

赫尔曼·蓬策尔(Herman Pontzer)就职于杜克大学,布莱恩·伍德(Brian Wood)就职于加利福尼亚大学洛杉矶分校,这两位科学家和我们一起提出了一种假说:由于搜寻食物时需要跨越很长的路程,狩猎采集的生活方式需要让我们的祖先完成大量有氧活动,活动量可能比其他类人猿多得多。

经常性制定觅食路线和计划的生活方式,对大脑提出了越来越高的挑战。在远行前,我们的祖先必须调查周围的环境,明确自己身处的位置。这种在空间导航的能力恰好依赖海马体——那个能够从运动中获益,随着年龄增大又会萎缩的大脑结构。

除此以外,他们还需要动用来自视觉和听觉系统的感官信息,不断寻找与食物相关的线索。他们必须记住自己去过哪里、捕食或者采摘某种食物的恰当时机……在这种情况下,大脑会同时利用来自短期和长期记忆的信息,并在海马体、前额叶皮质以及其他结构的协助下,让人们得以完成诸如决策和规划路线等认知活动。祖先们还需要成群结队地出动,此时,他们的大脑不仅需要维持身体平衡,保证空间导航,还需要处理同伴之间的对话。所有多任务的处理都涉及前额叶皮质,而这部分大脑结构也会随着年龄的增长而萎缩。

虽然导航和寻找食物是所有动物在觅食时都需要面对的问题,但是对于人类祖先来说,他们往往需要快速、长距离的奔跑,去追捕猎物。在高速奔跑的情况下,多重任务处理变得越来越困难,因此对信息处理效率的要求也就更高。从演化的角度来说,能够应对觅食途中和事后无数难题的大脑,是可以成功寻获食物的保证。但是,塑造和维护这样一颗大脑所需的生理资源——比如那些帮助神经元存活,促进神经元再生的物质——需要消耗身体大量的能量,这也意味着,如果不是经常使用这套认知系统,大脑的优势就将逐步退化。

2017年,我们在《神经科学趋势》(Trends in Neurosciences)杂志上发表了一篇论文,详细论述了以演化神经生物学视角看待运动和大脑的理论,这种联系对今天的人类有深远的影响。在现代社会,我们不需要为了寻找食物和生存进行大量的有氧活动。与衰老相伴的大脑萎缩以及认知功能衰退,一定程度上可能与我们惯于久坐和缺乏运动的生活方式有关。

但是,单纯增加运动量并不能完全展现运动在延缓大脑机能衰退方面的作用。事实上,我们的理论认为,哪怕是已经保持大量有氧运动的人,也应该反思他们的运动方式。人类的确演化出了促进和维持大脑认知水平的机制,但是我们日常生活中的运动也许并不能完全激发这种潜能,因此无法维持大脑的优异表现。

回忆一下我们一般是如何进行有氧运动的。我们会去健身房,使用那里的固定器械。但是,在这种锻炼方式中,认知难度最高的事件,可能是决定在器械内置的屏幕上观看什么视频。不仅如此,健身房的器械还降低了维持平衡和调整速度的难度,而这两点,都是在严酷的环境中觅食时必须克服的。

我们的祖先生活在一个很难预测周围危险的环境中,我们是不是也需要改变一下运动方式和内容呢?比如加入一些涉及认知能力的运动。这样一来,就可以让大脑面临更大的认知挑战,从而可以增强运动延缓认知衰退的效果,甚至可能改变神经退行性疾病(比如阿尔茨海默病)的发病进程。

运动+认知训练

事实上,越来越多的研究认为,相对于单纯的运动,伴有认知挑战的运动可以更好地维护大脑的功能。比如,在德国德累斯顿再生医疗中心,格尔德·肯伯曼(Gerd Kempermann)和同事就通过比较海马体新生神经元的生长和存活状况证实了这一点。

他们将小鼠分为两组。一组小鼠只是运动,另一组则在运动后还会进入一个对认知能力有很多挑战的环境。他们随后发现,虽然运动本身对海马体的神经元有积极的影响,但是体力活动配合认知刺激的效果更好,促进了更多神经元的生成。这说明,在运动过程中或结束后使用大脑,更有利于神经元的存活。

除了我们以外,还有很多科学家也在拓展这方面的研究,并把关注重点从动物转到人类自身,相关研究成果非常令人振奋。比如,有研究人员就在尝试,让认知能力明显衰退的人同时接受运动和认知训练。纽约联合大学的凯·安德森-汉利(Cay Anderson-Hanley)在有轻度认知缺陷(一种与阿尔茨海默病高度相关的症状)的受试者身上,测试了“运动+认知干预”手段的效果。要让结论更加可靠,我们当然还需要更多这样的试验,但就目前的结果来看,对于已经出现一定认知功能衰退的人,既做运动,也玩一些益智类的视频游戏,对缓解认知功能衰退有一定好处。

安德森-汉利和同事在一项针对健康成年人的研究里指出,与单纯的运动相比,既做运动,也玩一些益智类的视频游戏,能让外周血液中的BDNF水平更高。这项研究还证实了,运动之所以能改善大脑情况,就是BDNF在起作用。

另外,我们最近的研究显示,和那些健康但经常静坐的年轻人相比,经常在户外训练的大学生越野跑选手有些特殊,在他们的大脑中,与执行力相关的区域的神经连接更紧密。随着研究进一步推进,我们或许会在未来弄清楚,与那些在更简单的环境中训练的运动员相比(比如那些主要依靠跑步机的选手),越野跑选手表现出的这种差异是否依然存在。

还有很多信息需要我们进一步研究和发现。虽然现在提出“益智锻炼”的说法还为时过早,但我们至少可以肯定地说,在预防大脑机能随着年龄增长而衰退的行动中,运动扮演着非常重要的角色。美国卫生及公众服务部在发布的指南中建议,每人每周应当至少进行150分钟中等强度的有氧运动,或者至少75分钟的高强度运动(或者按均等比例混搭这两种运动方式)。达到或者超过建议的标准,将有助于身体健康,也可能有益于大脑健康。

接下来,临床试验将告诉我们更多与益智运动相关的信息。比如,什么样的脑力活动和体力活动可以更好地维护大脑健康;什么样的运动强度和多长的运动时间,才可以达到最好的效果。