大脑真的会长大
现代神经科学之父拉蒙·卡哈尔（Ramón y Cajal）提出中枢神经系统由独立神经元组成，在被他称为“极化接合点”的地方完成交流，拉蒙因此获得了1906年的诺贝尔医学奖。推崇其观点的科学家提出学习与突触变化密切相关的理论，尽管这一理论受到赞扬，但大多数科学家却并不买账。直到1945年，加拿大麦吉尔大学（McGill University）的心理学家唐纳德·赫布（Donald Hebb）偶然中首次发现了可作为证据的迹象。那时实验室的规定很松散，赫布觉得带几只实验室老鼠回去给孩子做临时宠物可能是个不错的主意。结果，把老鼠重新带回实验室后，赫布发现，与关在笼子里的同类相比，这几只老鼠非常擅于学习测试。被孩子们抚摸和嬉戏的新奇体验以某种方式提高了它们的学习能力。赫布认为这种经历改变了它们的大脑。在备受赞誉的教科书《行为的组织：一种神经心理学的理论》（The Organization of Behavior： a Neuropsy Chological Theory）中，他把这种现象描述为“使用–依赖可塑性”（use-dependent plasticity），认为突触在学习的刺激下会重新进行自我调整。
赫布的工作与运动密不可分。因为至少就大脑而言，体育活动算是新奇的体验。20世纪60年代，加州大学伯克利分校的心理学家们把一种叫“环境优化”（environmental enrichment， EE）的实验模型作为测试“使用–依赖可塑性”的手段。这次，研究人员没有把老鼠带回家，而是在它们的笼子里放置了玩具、障碍物、隐藏的食物以及转轮。研究人员还把老鼠们聚集起来，以便它们能够社交和
玩耍。
然而实验并非完全是充满和平与爱心的，因为最终这些啮齿目动物的大脑是要被解剖的。实验表明，生活在一个有更多感官刺激和社会化刺激的环境中，老鼠的大脑结构和功能皆发生了改变。老鼠不仅能更好完成学习，相对那些住在空荡荡笼子里的同类，它们的大脑重量也重了许多。赫布对可塑性的定义并没有包括神经元的增生。神经学家威廉·格里诺（William Greenough）读研究生期间，对加州大学伯克利分校的研究有强烈的兴趣，他回忆道：“那时候，要是从生理学上提出，大脑确实可以通过某些经历而发生改变，那几乎就等于异端邪说。”
格里诺想对“环境优化”项目做个调查，却被一通警告而打消了那种念头。他回忆说：“我的导师斩钉截铁地对我说，如果你把那个研究作为毕业论文，那你肯定会四面楚歌。”随着加州大学伯克利分校的研究结果被不断复制，“运动影响大脑”的观点也有了立足之地。哈佛大学的一个小组也用类似的研究从反面证实：环境的缺失会使大脑萎缩。通过手术将猫的一只眼睛缝合起来并饲养一段时间后，研究人员发现它们的视觉皮层明显缩小。整个研究证实，用肌肉比喻大脑以及用进废退的观念是成立的。
这不但挑战了生物学和心理学长期各自为政的局面，而且“环境优化”的社会意义是完全不同的。加州大学伯克利分校的研究促成了“开端计划”（Head Start）的诞生。这是一项提供资金让贫困孩子进入幼儿园的美国联邦教育计划。为什么必须让贫困孩子离开空无一物的“笼子”？这个研究领域突然间备受欢迎，许多神经学家开始研究用不同的方法刺激大脑生长。
曾安心于在伊利诺伊州立大学舒舒服服做一名教员的格里诺重新回到这个研究领域。20世纪70年代早期，在一次具有重要影响力的研究中，他用一台电子显微镜展示了“环境优化”可以促使神经元生长出新的树突。学习、运动和社交活动刺激并引发了分支扩张，继而促进其上的突触形成更多的神经连接，而位于这些神经连接上的许多髓鞘也随之加厚，髓鞘可以使神经连接更有效地释放信号。
现在我们知道，这种增生需要BDNF。这种突触的改建对神经回路处理信息的能力产生了巨大影响，显然这是个好消息。这意味着，你有力量改变你的大脑，而且你要做的仅仅是穿上你的跑步鞋。
运动能为大脑制造替换零件，诱发神经新生
随着突触可塑性的概念渐渐受到神经科学领域的认可，一种关于增生的更为激进的观点逐渐变得可信。20世纪大部分时间里，科学界坚持信奉大脑是一个在青春期就完全发育成熟的硬件。也就是说，我们出生时的神经元就是我们将来拥有的全部。我们可以随心所欲地重新调整突触，但神经元只会损耗，而且毫无疑问，我们还会加速神经元的衰退。初中的生物老师可能会提出一个观点，这个观点会吓得你未到法定年龄就不敢饮酒，“现在，你给我记住：酒精会杀死脑细胞，而脑细胞是永远不会再生长的。”
● 神经新生（neurogenesis）
从神经元干细胞、祖细胞中再生神经元的过程。
你猜结果怎么样？它们真的又生长了——而且达到数千个。科学家逐渐学会了使用那些先进的成像仪器来观察大脑，他们找到了确凿的证据，并在1998年公布了一篇有巨大影响力的论文。这个证据来源于一份不可思议的原始资料。癌症患者有时需要注射一种染色剂，它会出现在增殖癌细胞里，便于跟踪癌细胞的扩散情况。观察那些捐献遗体的晚期癌症患者的大脑时，研究者发现他们的海马体也充满了染色标记，这证明神经元就像身体其他细胞一样，正在分裂和增殖——这个过程被称为“神经新生”（neurogenesis）。于是，科学界正式认定它为神经科学领域最大的发现之一。
曾经，从斯德哥尔摩到南加州，再到普林斯顿，神经学家们都争先恐后要找出我们的新生脑细胞到底有什么作用，因为它的意义是广泛而深远的，帕金森氏病（Parkinson’s）以及阿尔茨海默病之类的退行性疾病的根本病因便源于神经细胞的死亡和受损。老化本身就是一种细胞的死亡，然而我们突然认识到，至少在大脑某些区域中存在一个内部的对抗手段。或许一旦搞清如何快速启动神经新生，我们就能为大脑制造出替换零件。
那么这对健康的大脑来说又意味着什么呢？其中一条关于神经新生的线索来自山雀研究。山雀在每年春天会学习新的鸣叫声，而且在短期内，它们的海马体上也显示出新细胞的增生。这是巧合吗？新生的细胞暗示其在学习中起到的某种作用，但我们很难得到这类证据。就像突触的可塑性一样，“神经新生显然与我们和环境的相互作用有关，不仅仅在情感上，在认知上也有关系”。加州索尔克研究所（Salk Institute）的神经学家弗雷德·盖奇（Fred Gage）说：“设法弄明白神经新生到底有什么作用，这真的是一个有趣的难题。”1998年，瑞典人彼得·埃里克森（Peter Eriksson）领导了这个关键性研究，而盖奇是和他一起工作的研究人员之一。
新生的神经元是完全空白的干细胞（stem cell），要经历一个发育过程才能形成神经细胞。在这个过程中，它们必须找到事情做才能生存下来，但大多数都没有成功。一个新生的细胞要经过28天才能加入到一个神经网络中。和已经存在的神经元一样，赫布关于活动依赖性学习的概念将得到应用：如果我们不使用新生的神经元，我们就会失去它们。盖奇重新运用环境优化模型在啮齿目动物身上验证了这个观点。“开始进行这个实验时，我们必须要同时处理各种各样的问题。”盖奇说，“我们需要耍手段得到实验结果，但令我们吃惊的是，仅仅在笼子里放一个转轮，就能对新生神经细胞的数量产生显著影响。而讽刺的是，跑步组的神经细胞死亡率和对照组一样，所不同的仅仅是前者的细胞储备库比较雄厚而已。一个神经细胞要生存并加入到神经系统中，就必须生长出它的轴突。”运动产生大量神经元，而环境优化的刺激则有助于神经元的存活。
第一个在神经新生与学习之间建立明确关联的人是盖奇的同事汉丽埃塔·冯·布拉格（Henrietta van Praag）。他们在一个水池中装满不透明的水，水面刚刚淹没水池角落里的平台。老鼠不喜欢水，研究者用实验来测试它们对平台的斜坡，即逃生路线的记忆程度如何。研究者比较了不运动的老鼠和每晚在转轮上跑4~5公里的老鼠，结果显示，运动的老鼠记住了在哪里能迅速找到安全地带。虽然两组老鼠的游泳速度相同，但运动的老鼠能径直朝平台游去，而不运动的老鼠则在水中四处乱撞后才找到平台。研究者解剖老鼠后发现，运动的老鼠海马体中新干细胞的数量是不运动的老鼠的两倍。总结实验结果时，盖奇说：“细胞总数和一只老鼠进行复杂任务的能力之间有显著关系。一旦阻碍神经新生，老鼠就无法回忆信息。”
虽然整个研究的对象是啮齿目动物，但我们知道实验可能与内珀维尔校区的体育课有一定的关联：体育课为大脑提供学习所需的最佳工具，而课堂上的学习刺激又促使那些新生的神经细胞连接到神经网络中。只有在那里，它们才能成为信号传递系统中的重要成员。神经元被赋予一个使命，通过运动更好地激发LTP，似乎就会新生出大量的神经细胞，它们都是可塑之材。普林斯顿大学的神经学家伊丽莎白·古尔德（Elizabeth Gould）由此联想到，也许新生神经元在保存我们的有意识思维方面起到了重要作用，而前额叶皮层则决定是否要把这些新神经元连接起来作为一个长期记忆。古尔德是首位证实灵长目动物长出新神经元的研究者，她的研究成果为人类神经新生的实验创造了条件。
她和神经科学领域的其他学者一样，还在分析神经新生和学习之间的关系，而运动已经成为一个重要的实验工具。不过有趣的是，很少有科学家会因为对运动感兴趣而去研究它，正如2006年公布的一份关于海马体研究的文章标题所说，他们之所以喜欢让老鼠跑步，是因为运动能“大大增加神经新生”，因此可以让研究人员分析这一过程背后的一系列信号。这也是制药公司制造药物所必需的，他们一直梦想有一种治疗老年痴呆症的药丸，能复活神经元以保存完整的记忆。最近，哥伦比亚大学的神经学家斯科特·斯莫尔（Scott Small）在以人为对象的研究中，利用核磁共振成像技术（MRI）跟踪拍摄神经新生现象。他说：“海马体里肯定有某种感知运动和语言的化学物质，好吧，让我们开始快速制造新细胞吧！如果我们确定了那些分子途径，也许我们就能想出聪明的办法，从生化学角度诱导神经新生。”
试想一下要是他们把运动装进一个瓶子里，会怎样呢？