20世纪90年代，研究人员宣布了一系列发现，这些发现将颠覆神经科学的一个基本原则。几十年来，成熟的大脑被认为无法生长新的神经元。人们认为，一旦个体达到成年期，大脑就开始失去神经元，而不是获得神经元。但越来越多的证据表明，成年大脑实际上可以产生新的神经元。在一项特别引人注目的针对小鼠的实验中，科学家发现，仅仅在轮子上跑步就会导致海马体（一个与记忆相关的脑结构）中新生神经元的诞生。从那时起，其他研究也证实，锻炼对人类的大脑也有积极影响，尤其是随着年龄的增长，甚至可能有助于降低患阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病的风险。但这项研究提出了一个关键问题：为什么锻炼会影响大脑？
体育活动可以改善身体许多器官系统的功能，但这些效果通常与更好的运动表现有关。例如，当您走路或跑步时，您的肌肉需要更多的氧气，随着时间的推移，您的心血管系统会通过增加心脏的大小和建立新的血管来做出反应。心血管变化主要是对运动带来的身体挑战的反应，这可以增强耐力。但是，什么挑战会引起大脑的反应呢？
要回答这个问题，我们需要重新思考我们对锻炼的看法。人们通常认为步行和跑步是身体能够在自动驾驶模式下完成的活动。但是我们和其他人在最近几十年进行的研究表明，这种民间智慧是错误的。相反，锻炼似乎既是一种认知活动，也是一种身体活动。事实上，体育活动和大脑健康之间的这种联系可能可以追溯到数百万年前人类特征的起源。如果我们能够更好地理解锻炼为何以及如何调动大脑，也许我们可以利用相关的生理途径来设计新的锻炼方案，以增强人们随着年龄增长的认知能力——我们已经开始进行这项工作。
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锻炼大脑
为了探讨为什么锻炼有益于大脑，我们需要首先考虑大脑结构和认知的哪些方面似乎对锻炼最敏感。20世纪90年代，由弗雷德·盖奇和亨利埃特·范·普拉格（当时都在加利福尼亚州拉霍亚的索尔克生物研究所）领导的研究人员表明，跑步会增加小鼠海马体中新生神经元的诞生，他们注意到这个过程似乎与一种名为脑源性神经营养因子（BDNF）的蛋白质的产生有关。BDNF在全身和大脑中产生，它既促进新生神经元的生长，也促进其存活。索尔克小组和其他研究人员继续证明，运动诱导的神经发生与啮齿动物在记忆相关任务中的表现改善有关。这些研究结果令人震惊，因为海马体的萎缩与健康人类衰老过程中的记忆困难密切相关，并且在患有阿尔茨海默病等神经退行性疾病的个体中更为严重。啮齿动物的研究结果初步揭示了运动如何对抗这种衰退。
在动物研究的基础上，研究人员进行了一系列调查，确定在人类中，就像在啮齿动物中一样，有氧运动会导致BDNF的产生，并增强大脑关键区域（包括海马体）的结构——即大小和连接性。在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校进行的由柯克·埃里克森（现任匹兹堡大学）和亚瑟·克莱默主持的随机试验中，12个月的有氧运动导致老年人BDNF水平升高、海马体体积增大以及记忆力改善。
其他研究人员在各种观察性研究中也发现了运动与海马体之间的关联。在我们自己对英国7000多名中年至老年人的研究中，该研究于2019年发表在《大脑影像与行为》杂志上，我们证明，花更多时间进行中等至剧烈体育活动的人的海马体体积更大。虽然我们无法确定人类的这些影响是否与神经发生或其他形式的大脑可塑性（例如增加现有神经元之间的连接）有关，但总的来说，这些结果清楚地表明，锻炼可以有益于大脑的海马体及其认知功能。
研究人员还记录了有氧运动与大脑其他部位（包括前额叶皮层，它位于前额正后方）获益之间的明确联系。该区域的这种增强与更敏锐的执行认知功能有关，其中包括计划、决策和多任务处理等方面——这些能力与记忆一样，往往会随着健康衰老而下降，并在阿尔茨海默病的存在下进一步退化。科学家们怀疑，现有神经元之间连接的增加，而不是新生神经元的诞生，是运动对前额叶皮层和海马体以外的其他大脑区域产生有益影响的原因。
直立和活跃
随着越来越多的证据表明有氧运动可以促进大脑健康，尤其是在老年人中，下一步是弄清楚体育活动究竟提出了哪些认知挑战，从而引发了这种适应性反应。我们开始认为，研究大脑和身体之间的进化关系可能是一个好的起点。人族（包括现代人类和我们已灭绝的近亲的群体）在六百万到七百万年前从通往我们最近的现存亲戚——黑猩猩和倭黑猩猩的谱系中分离出来。在那段时间里，人族进化出许多解剖学和行为学上的适应性，使我们与其他灵长类动物区分开来。我们认为，特别是其中两个进化变化以人们今天可以利用的方式将锻炼与大脑功能联系起来。
塔米·托尔帕
首先，我们的祖先从四肢行走转变为仅用后腿直立行走。这种双足姿势意味着有时我们的身体会不稳定地平衡在一只脚上，而不是像其他猿类那样用两只或更多肢体。为了完成这项任务，我们的大脑必须协调大量信息，并在过程中调整全身的肌肉活动以保持平衡。在协调这些动作的同时，我们还必须注意任何环境障碍。换句话说，仅仅因为我们是双足行走的，我们的大脑可能比我们的四足祖先面临更多的认知挑战。
其次，人族的生活方式发生了变化，融入了更高水平的有氧运动。化石证据表明，在人类进化的早期阶段，我们的祖先可能是相对久坐的双足猿类，主要吃植物。然而，大约在两百万年前，随着栖息地在气候变冷的条件下干涸，至少有一群人类祖先开始以新的方式觅食，捕猎动物和采集植物性食物。狩猎和采集主导了人类的生存策略近两百万年，直到大约1万年前农业和畜牧业的出现。我们与杜克大学的赫尔曼·庞泽和加州大学洛杉矶分校的布莱恩·伍德一起证明，由于在寻找食物的过程中需要长距离跋涉，狩猎和采集涉及的有氧运动量远高于其他猿类。
大脑需求的增加伴随着向更活跃的日常生活的转变。当外出觅食时，狩猎采集者必须环顾四周，以确保他们知道自己身在何处。这种空间导航依赖于海马体，海马体也是从锻炼中获益并在我们变老时趋于萎缩的同一个大脑区域。此外，他们必须扫描景观以寻找食物的迹象，使用来自视觉和听觉系统的感觉信息。他们必须记住他们之前去过哪里，以及何时可以获得某些种类的食物。大脑使用来自短期和长期记忆的信息，使人们能够做出决定并计划他们的路线——认知任务，这些任务由海马体和前额叶皮层等区域支持。狩猎采集者也经常成群结队地觅食，在这种情况下，他们可能会在对话的同时，大脑保持平衡并让他们在环境中进行空间定位。所有这些多任务处理都部分由前额叶皮层控制，前额叶皮层也会随着年龄的增长而减弱。
虽然任何觅食动物都必须导航并找出在哪里找到食物，但狩猎采集者必须在可能超过20公里的快速跋涉中执行这些功能。在高速下，多任务处理变得更加困难，并且需要更快的信息处理。从进化的角度来看，拥有一个大脑准备好应对觅食期间和之后的一系列挑战，以最大限度地提高寻找食物的成功机会是有道理的。但是，构建和维护这样一个大脑所需的生理资源（包括支持新生神经元的诞生和存活的资源）会消耗身体能量，这意味着如果我们不经常使用这个系统，我们很可能会失去这些益处。
我们在2017年发表在《神经科学趋势》杂志上的一篇文章中详细阐述了这种关于锻炼和大脑的进化神经科学观点，这对今天的人类具有深远的影响。在我们的现代社会中，我们不需要进行有氧体育活动来寻找生存所需的食物。在衰老过程中常见的脑萎缩和相关的认知能力下降可能部分与我们久坐不动的生活习惯有关。
但是，仅仅增加锻炼可能无法充分发挥体育活动在阻止大脑衰退方面的潜力。事实上，我们的模型表明，即使是已经进行大量有氧运动的人也可能需要重新思考他们的日常活动。我们可能并不总是以充分利用我们进化的维持大脑性能的机制的方式进行锻炼。
塔米·托尔帕
想想我们许多人进行有氧运动的方式。我们经常去健身房并使用固定式运动器械；这种锻炼中最需要认知的任务可能是决定在内置电视上观看哪个频道。更重要的是，这些器械消除了保持平衡和调整速度等许多通过不断变化的环境进行运动的内在认知挑战。
如果这种形式的锻炼让我们吃了亏怎么办？我们的祖先在一个不可预测的世界中进化而来。如果我们能够修改我们的锻炼方案，使其包含认知挑战，就像我们的狩猎采集祖先所面临的那些挑战一样，会怎么样呢？如果我们能够通过包含一项需要认知参与的活动来增强锻炼的效果，那么也许我们可以提高旨在增强衰老过程中认知能力的锻炼方案的功效，甚至可能改变神经退行性疾病的进程。
运动和思考
事实上，越来越多的研究表明，具有认知刺激的锻炼可能比不提出此类认知要求的锻炼更有益于大脑。例如，德国德累斯顿工业大学再生疗法中心的格德·肯珀曼和他的同事通过比较单独锻炼后或锻炼与获得认知丰富的环境相结合后小鼠海马体中新生神经元的生长和存活率，探索了这种可能性。他们发现了一种叠加效应：单独锻炼对海马体有好处，但将体育活动与刺激性环境中的认知需求相结合甚至更好，导致更多的新神经元。在锻炼期间和之后使用大脑似乎会触发增强的神经元存活率。
我们和其他人已经将这些研究从动物扩展到人类——结果令人鼓舞。例如，研究人员已经探索了在经历明显认知能力下降的个体中结合锻炼和认知挑战。纽约州斯克内克塔迪联合学院的凯·安德森-汉利已经在患有轻度认知障碍（一种与阿尔茨海默病风险增加相关的疾病）的人群中测试了同时进行的锻炼和认知干预。
衰老过程中常见的大脑萎缩和认知能力下降可能与久坐不动的生活习惯有关。
在诸如此类的人群中，肯定还需要做更多的工作，然后我们才能得出任何确定的结论，但到目前为止的结果表明，已经经历一些认知能力下降的人可能会从在玩需要动脑筋的视频游戏的同时进行锻炼中获益。在对健康成年人的研究中，安德森-汉利和她的同事也表明，同时进行锻炼和玩具有认知挑战性的视频游戏可能会比单独锻炼引起更高的循环BDNF水平升高。这些发现进一步支持了BDNF在带来运动诱导的大脑益处方面起着重要作用的观点。
在我们自己的工作中，我们开发了一款游戏，旨在专门挑战随着年龄增长而趋于下降并且在觅食期间可能需要的认知方面。在游戏中，玩家在中等有氧运动强度下骑自行车时，进行空间导航并完成注意力和记忆任务。为了评估这种方法在提高健康老年人认知能力方面的潜力，我们将一组在玩游戏时锻炼的人与一组不玩游戏锻炼的人、一组玩游戏但不锻炼的人以及一个只观看自然视频的对照组进行了比较。我们已经看到了一些有希望的结果。
许多其他研究小组已经测试了锻炼和认知任务的组合。最终，我们可能会更好地了解如何最好地部署它们，以支持和增强健康个体以及经历与疾病相关的认知能力下降的个体的认知能力。
除了此处描述的专门设计的干预措施外，参加需要认知和有氧任务相结合的运动也可能是激活这些大脑益处的一种方式。例如，我们表明，与健康但更久坐不动的年轻人相比，在户外小径上进行大量训练的大学越野跑运动员大脑区域之间的连接性增强，这些区域与执行认知功能相关。未来的工作将帮助我们了解这些益处是否也大于在不太复杂的环境中（例如在跑步机上）训练的跑步者所看到的益处。
还有许多有待发现。虽然现在就为结合锻炼和认知任务提出具体建议还为时过早，但我们可以肯定地说，锻炼是保持我们随着年龄增长大脑功能的关键因素。美国卫生与公众服务部指南建议，人们应该每周进行至少150分钟中等强度或每周至少75分钟剧烈强度的有氧运动（或两者的等效组合）。达到或超过这些运动建议对身体有益，并可能改善大脑健康。
临床试验将告诉我们更多关于认知参与型锻炼的功效——例如，哪些类型的精神和身体活动最有影响力，以及增强认知能力的最佳运动强度和持续时间。但鉴于我们目前掌握的证据，我们相信，通过持续细致的研究，我们可以针对连接大脑和身体的生理途径，并利用我们大脑在衰老过程中针对运动诱导的可塑性的进化适应能力。
最终，在锻炼期间同时锻炼身体和大脑可能有助于终生保持思维敏锐。