20世紀90年代，研究人員宣佈了一系列發現，這些發現將顛覆神經科學的一個基本原則。幾十年來，成熟的大腦被認為無法生長新的神經元。人們認為，一旦個體達到成年期，大腦就開始失去神經元，而不是獲得神經元。但越來越多的證據表明，成年大腦實際上可以產生新的神經元。在一項特別引人注目的針對小鼠的實驗中，科學家發現，僅僅在輪子上跑步就會導致海馬體（一個與記憶相關的腦結構）中新生神經元的誕生。從那時起，其他研究也證實，鍛鍊對人類的大腦也有積極影響，尤其是隨著年齡的增長，甚至可能有助於降低患阿爾茨海默病和其他神經退行性疾病的風險。但這項研究提出了一個關鍵問題：為什麼鍛鍊會影響大腦？
體育活動可以改善身體許多器官系統的功能，但這些效果通常與更好的運動表現有關。例如，當您走路或跑步時，您的肌肉需要更多的氧氣，隨著時間的推移，您的心血管系統會透過增加心臟的大小和建立新的血管來做出反應。心血管變化主要是對運動帶來的身體挑戰的反應，這可以增強耐力。但是，什麼挑戰會引起大腦的反應呢？
要回答這個問題，我們需要重新思考我們對鍛鍊的看法。人們通常認為步行和跑步是身體能夠在自動駕駛模式下完成的活動。但是我們和其他人在最近幾十年進行的研究表明，這種民間智慧是錯誤的。相反，鍛鍊似乎既是一種認知活動，也是一種身體活動。事實上，體育活動和大腦健康之間的這種聯絡可能可以追溯到數百萬年前人類特徵的起源。如果我們能夠更好地理解鍛鍊為何以及如何調動大腦，也許我們可以利用相關的生理途徑來設計新的鍛鍊方案，以增強人們隨著年齡增長的認知能力——我們已經開始進行這項工作。
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鍛鍊大腦
為了探討為什麼鍛鍊有益於大腦，我們需要首先考慮大腦結構和認知的哪些方面似乎對鍛鍊最敏感。20世紀90年代，由弗雷德·蓋奇和亨利埃特·範·普拉格（當時都在加利福尼亞州拉霍亞的索爾克生物研究所）領導的研究人員表明，跑步會增加小鼠海馬體中新生神經元的誕生，他們注意到這個過程似乎與一種名為腦源性神經營養因子（BDNF）的蛋白質的產生有關。BDNF在全身和大腦中產生，它既促進新生神經元的生長，也促進其存活。索爾克小組和其他研究人員繼續證明，運動誘導的神經發生與齧齒動物在記憶相關任務中的表現改善有關。這些研究結果令人震驚，因為海馬體的萎縮與健康人類衰老過程中的記憶困難密切相關，並且在患有阿爾茨海默病等神經退行性疾病的個體中更為嚴重。齧齒動物的研究結果初步揭示了運動如何對抗這種衰退。
在動物研究的基礎上，研究人員進行了一系列調查，確定在人類中，就像在齧齒動物中一樣，有氧運動會導致BDNF的產生，並增強大腦關鍵區域（包括海馬體）的結構——即大小和連線性。在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校進行的由柯克·埃裡克森（現任匹茲堡大學）和亞瑟·克萊默主持的隨機試驗中，12個月的有氧運動導致老年人BDNF水平升高、海馬體體積增大以及記憶力改善。
其他研究人員在各種觀察性研究中也發現了運動與海馬體之間的關聯。在我們自己對英國7000多名中年至老年人的研究中，該研究於2019年發表在《大腦影像與行為》雜誌上，我們證明，花更多時間進行中等至劇烈體育活動的人的海馬體體積更大。雖然我們無法確定人類的這些影響是否與神經發生或其他形式的大腦可塑性（例如增加現有神經元之間的連線）有關，但總的來說，這些結果清楚地表明，鍛鍊可以有益於大腦的海馬體及其認知功能。
研究人員還記錄了有氧運動與大腦其他部位（包括前額葉皮層，它位於前額正後方）獲益之間的明確聯絡。該區域的這種增強與更敏銳的執行認知功能有關，其中包括計劃、決策和多工處理等方面——這些能力與記憶一樣，往往會隨著健康衰老而下降，並在阿爾茨海默病的存在下進一步退化。科學家們懷疑，現有神經元之間連線的增加，而不是新生神經元的誕生，是運動對前額葉皮層和海馬體以外的其他大腦區域產生有益影響的原因。
直立和活躍
隨著越來越多的證據表明有氧運動可以促進大腦健康，尤其是在老年人中，下一步是弄清楚體育活動究竟提出了哪些認知挑戰，從而引發了這種適應性反應。我們開始認為，研究大腦和身體之間的進化關係可能是一個好的起點。人族（包括現代人類和我們已滅絕的近親的群體）在六百萬到七百萬年前從通往我們最近的現存親戚——黑猩猩和倭黑猩猩的譜系中分離出來。在那段時間裡，人族進化出許多解剖學和行為學上的適應性，使我們與其他靈長類動物區分開來。我們認為，特別是其中兩個進化變化以人們今天可以利用的方式將鍛鍊與大腦功能聯絡起來。
塔米·托爾帕
首先，我們的祖先從四肢行走轉變為僅用後腿直立行走。這種雙足姿勢意味著有時我們的身體會不穩定地平衡在一隻腳上，而不是像其他猿類那樣用兩隻或更多肢體。為了完成這項任務，我們的大腦必須協調大量資訊，並在過程中調整全身的肌肉活動以保持平衡。在協調這些動作的同時，我們還必須注意任何環境障礙。換句話說，僅僅因為我們是雙足行走的，我們的大腦可能比我們的四足祖先面臨更多的認知挑戰。
其次，人族的生活方式發生了變化，融入了更高水平的有氧運動。化石證據表明，在人類進化的早期階段，我們的祖先可能是相對久坐的雙足猿類，主要吃植物。然而，大約在兩百萬年前，隨著棲息地在氣候變冷的條件下乾涸，至少有一群人類祖先開始以新的方式覓食，捕獵動物和採集植物性食物。狩獵和採集主導了人類的生存策略近兩百萬年，直到大約1萬年前農業和畜牧業的出現。我們與杜克大學的赫爾曼·龐澤和加州大學洛杉磯分校的布萊恩·伍德一起證明，由於在尋找食物的過程中需要長距離跋涉，狩獵和採集涉及的有氧運動量遠高於其他猿類。
大腦需求的增加伴隨著向更活躍的日常生活的轉變。當外出覓食時，狩獵採集者必須環顧四周，以確保他們知道自己身在何處。這種空間導航依賴於海馬體，海馬體也是從鍛鍊中獲益並在我們變老時趨於萎縮的同一個大腦區域。此外，他們必須掃描景觀以尋找食物的跡象，使用來自視覺和聽覺系統的感覺資訊。他們必須記住他們之前去過哪裡，以及何時可以獲得某些種類的食物。大腦使用來自短期和長期記憶的資訊，使人們能夠做出決定並計劃他們的路線——認知任務，這些任務由海馬體和前額葉皮層等區域支援。狩獵採集者也經常成群結隊地覓食，在這種情況下，他們可能會在對話的同時，大腦保持平衡並讓他們在環境中進行空間定位。所有這些多工處理都部分由前額葉皮層控制，前額葉皮層也會隨著年齡的增長而減弱。
雖然任何覓食動物都必須導航並找出在哪裡找到食物，但狩獵採集者必須在可能超過20公里的快速跋涉中執行這些功能。在高速下，多工處理變得更加困難，並且需要更快的資訊處理。從進化的角度來看，擁有一個大腦準備好應對覓食期間和之後的一系列挑戰，以最大限度地提高尋找食物的成功機會是有道理的。但是，構建和維護這樣一個大腦所需的生理資源（包括支援新生神經元的誕生和存活的資源）會消耗身體能量，這意味著如果我們不經常使用這個系統，我們很可能會失去這些益處。
我們在2017年發表在《神經科學趨勢》雜誌上的一篇文章中詳細闡述了這種關於鍛鍊和大腦的進化神經科學觀點，這對今天的人類具有深遠的影響。在我們的現代社會中，我們不需要進行有氧體育活動來尋找生存所需的食物。在衰老過程中常見的腦萎縮和相關的認知能力下降可能部分與我們久坐不動的生活習慣有關。
但是，僅僅增加鍛鍊可能無法充分發揮體育活動在阻止大腦衰退方面的潛力。事實上，我們的模型表明，即使是已經進行大量有氧運動的人也可能需要重新思考他們的日常活動。我們可能並不總是以充分利用我們進化的維持大腦效能的機制的方式進行鍛鍊。
塔米·托爾帕
想想我們許多人進行有氧運動的方式。我們經常去健身房並使用固定式運動器械；這種鍛鍊中最需要認知的任務可能是決定在內建電視上觀看哪個頻道。更重要的是，這些器械消除了保持平衡和調整速度等許多透過不斷變化的環境進行運動的內在認知挑戰。
如果這種形式的鍛鍊讓我們吃了虧怎麼辦？我們的祖先在一個不可預測的世界中進化而來。如果我們能夠修改我們的鍛鍊方案，使其包含認知挑戰，就像我們的狩獵採集祖先所面臨的那些挑戰一樣，會怎麼樣呢？如果我們能夠透過包含一項需要認知參與的活動來增強鍛鍊的效果，那麼也許我們可以提高旨在增強衰老過程中認知能力的鍛鍊方案的功效，甚至可能改變神經退行性疾病的程序。
運動和思考
事實上，越來越多的研究表明，具有認知刺激的鍛鍊可能比不提出此類認知要求的鍛鍊更有益於大腦。例如，德國德累斯頓工業大學再生療法中心的格德·肯珀曼和他的同事透過比較單獨鍛鍊後或鍛鍊與獲得認知豐富的環境相結合後小鼠海馬體中新生神經元的生長和存活率，探索了這種可能性。他們發現了一種疊加效應：單獨鍛鍊對海馬體有好處，但將體育活動與刺激性環境中的認知需求相結合甚至更好，導致更多的新神經元。在鍛鍊期間和之後使用大腦似乎會觸發增強的神經元存活率。
我們和其他人已經將這些研究從動物擴充套件到人類——結果令人鼓舞。例如，研究人員已經探索了在經歷明顯認知能力下降的個體中結合鍛鍊和認知挑戰。紐約州斯克內克塔迪聯合學院的凱·安德森-漢利已經在患有輕度認知障礙（一種與阿爾茨海默病風險增加相關的疾病）的人群中測試了同時進行的鍛鍊和認知干預。
衰老過程中常見的大腦萎縮和認知能力下降可能與久坐不動的生活習慣有關。
在諸如此類的人群中，肯定還需要做更多的工作，然後我們才能得出任何確定的結論，但到目前為止的結果表明，已經經歷一些認知能力下降的人可能會從在玩需要動腦筋的影片遊戲的同時進行鍛鍊中獲益。在對健康成年人的研究中，安德森-漢利和她的同事也表明，同時進行鍛鍊和玩具有認知挑戰性的影片遊戲可能會比單獨鍛鍊引起更高的迴圈BDNF水平升高。這些發現進一步支援了BDNF在帶來運動誘導的大腦益處方面起著重要作用的觀點。
在我們自己的工作中，我們開發了一款遊戲，旨在專門挑戰隨著年齡增長而趨於下降並且在覓食期間可能需要的認知方面。在遊戲中，玩家在中等有氧運動強度下騎腳踏車時，進行空間導航並完成注意力和記憶任務。為了評估這種方法在提高健康老年人認知能力方面的潛力，我們將一組在玩遊戲時鍛鍊的人與一組不玩遊戲鍛鍊的人、一組玩遊戲但不鍛鍊的人以及一個只觀看自然影片的對照組進行了比較。我們已經看到了一些有希望的結果。
許多其他研究小組已經測試了鍛鍊和認知任務的組合。最終，我們可能會更好地瞭解如何最好地部署它們，以支援和增強健康個體以及經歷與疾病相關的認知能力下降的個體的認知能力。
除了此處描述的專門設計的干預措施外，參加需要認知和有氧任務相結合的運動也可能是啟用這些大腦益處的一種方式。例如，我們表明，與健康但更久坐不動的年輕人相比，在戶外小徑上進行大量訓練的大學越野跑運動員大腦區域之間的連線性增強，這些區域與執行認知功能相關。未來的工作將幫助我們瞭解這些益處是否也大於在不太複雜的環境中（例如在跑步機上）訓練的跑步者所看到的益處。
還有許多有待發現。雖然現在就為結合鍛鍊和認知任務提出具體建議還為時過早，但我們可以肯定地說，鍛鍊是保持我們隨著年齡增長大腦功能的關鍵因素。美國衛生與公眾服務部指南建議，人們應該每週進行至少150分鐘中等強度或每週至少75分鐘劇烈強度的有氧運動（或兩者的等效組合）。達到或超過這些運動建議對身體有益，並可能改善大腦健康。
臨床試驗將告訴我們更多關於認知參與型鍛鍊的功效——例如，哪些型別的精神和身體活動最有影響力，以及增強認知能力的最佳運動強度和持續時間。但鑑於我們目前掌握的證據，我們相信，透過持續細緻的研究，我們可以針對連線大腦和身體的生理途徑，並利用我們大腦在衰老過程中針對運動誘導的可塑性的進化適應能力。
最終，在鍛鍊期間同時鍛鍊身體和大腦可能有助於終生保持思維敏銳。