第一章
會變化的大腦
身體是用來支持大腦的。------------湯瑪斯.愛迪生
想像一下,你坐在時光機裡,將年份推回到西元前一萬年。機器開始哐哪作聲,又突然在數千年前的時間點停下了。你惴惴不安地走出時光機,環顧四周。一群身著動物皮的人站在那裡看到你,貌似很驚訝。
你對他們的第一印象會是什麼?
是一群只會捕獵動物,沒有任何先進思想的原始「洞穴居民」嗎?你或許很容易這麼想,但實際上,你和他們其實非常相似。當然,除了他們和你說著不同的語言,經歷著完全不同的人生,但整體來說,他們的身體機能與你的非常類似。他們和你擁有相同的認知能力與身體感受。在過去的一萬兩千年裡,我們人類的身體其實並沒有發生太大的變化。
相比之下,你的生活方式反倒在短短一百年內經歷了巨大的變革,特別是和一萬兩千年前相比,變化程度之大,令人難以置信。你生活在舒適且完全不同的環境中,並使用著古代祖先在他們最瘋狂的夢中也無法想像的工具。你在一週內遇到的新面孔,也可能比他們一生中遇到的還要多。
你與祖先們的生活方式之間,還有另一個根本的區別:他們的運動量比你大得多。縱觀歷史,數百萬年來的各代祖先都是這樣,動得比我們更多。原因很簡單:在人類歷史的大部分時間裡,人們必須靠體力活動才能獲得食物和生存的機會。因此,不僅我們門的身體是為了運動而生,我們的大腦也是。
一百年聽起來可能已經很長,更不用說一萬兩千年了。但從生物學的角度來看,這不過是一眨眼。任何物種想獲得目巨大的變化,都需要很長的時間來演化,包括人類。
可是,無論在一個世紀,還是在一萬兩千年內,我們的大腦都沒有發生顯著的改變。儘管生活方式己有了巨大的變化,這些社會的轉變也使我們逐步脫離原本過活的手段。但我們的大腦仍然生活在非洲大草原一多年前以狩獵為生的祖先所居住的地方,特别是涉及我們運動量的多寡時,情況更是如此。即使我們現在不需要靠體力尋找食物,網購就能解決問題,但要是按照祖先的方式生活(例如經常運動),我們大腦的效率會變得更好。
如何讓大腦更有效率運作?
這些年來,我讀過數以千計的研究成果,如果非得從中選擇一個最吸引我的,將會是這項不僅改變我對醫學和健康的看法,而且在一定程度上改變我對整個生活看法的研究。
這項研究針對大約一百位六十歲老人的大腦進行磁振造影(Magnetic Resonance Imaging, MRI)。對大腦研究人員來說,這是一項科技奇蹟,是一件讓我們真正走進另一個世界的工具。如今由於MRI技術,我們可以「掀起蓋頭」,看到大腦的內部,即時記錄大腦在我們思考和執行不同任務時的狀態,並且不會傷害受檢人員的身體。
這項研究的具體目標是了解衰老對大腦的影響。因為就像皮膚、心臟和肺臟一樣,我們的大腦也會慢慢變老。但它是如何老化的呢?這是完全不能阻止的進程,還是能透過某些方式(例如規律的運動),來改變它老化的速度?在進行相關的動物實驗後,研究人員猜測:在輪子上跑過步的小鼠,其大腦的衰老速度會比那些沒有跑步的慢。
這項研究的作者為了回答這些問題,把六十歲的受試者分成兩組:第一組在實驗開展的一年內,每週定期散步幾次(散步組);第二組參與活動的頻率相同,但是只進行了不會提高心率的輕微運動(輕微運動組)。
為了追蹤受試者的大腦變化過程,一年後進行MRI檢測的同時,也做心理測試。結果顯示出大腦不同部分如何被散動、顳葉中的區域如何與枕葉和額葉合作。整個過程看起來是一個複雜的網路。
然而,最有啟發性的並非測試結果本身,而是針對兩組差異的比較研究。
散步組的受試者不僅在體型上變得更勻稱,也獲得更強健的大腦。他們的MRI結果顯示,腦葉之間的連接有所增憎強,特別是顯葉與額葉、枕葉之間。也就是說,這意味著整個腦部功能變得更有效率。
運動(即散步)暫時以一種未知的方式,對大脸腦各部分的連接產生正面的作用。
將六十歲受試者的試驗結果,與年輕人的結果比較時,似乎只能得出這樣的結論:散步組受試者的大腦看起來更年輕。在參與實驗的一年内,他們的大腦沒有老化的跡象,似乎反而變得更強健了。最顯著的變化是額葉和顯葉之間的連接增強,而這部分實際上是大腦受老化影響最大的區域。能看到這方面的變化,表示大腦的老化進程已經趨緩了。
這次實驗所達成的結果中,除了可檢測到的醫學指標變化,更重要的是散步帶來的實際效果。心理測試表明,散步組受試者的一系列認知功能(統稱為執行力或執行功能,其中包括採取主動、計畫和控制注意力等)都有所改善。
簡而言之,這一發現意味著,運動者的大腦能更有效地發揮作用,並且減少甚至逆轉大腦衰老所帶來的負面效應,使大腦更加有活力。
現在花點時間來思考剛剛讀到的內容。如果以上所述還不足以激勵你去運動,那也沒辦法了。你知道可以透過跑步來提升耐力,並且藉由重量訓練得到更強壯的肌肉;但你可能並不知道,這些運動也可以替你的大腦帶來變化-----這些變化可以藉由現代醫學科技測量,對於完善認知功能也極為重要。
接下來,我們會更詳細地介紹這些變化。但在此之前,首先得知道大腦是如何工作的,然後再看看如何使它運作得越來越好。
比宇宙更複雜精密的大腦
在科學研究中,大腦所表現出的可塑性已經超過了我們以往的猜測。頭骨裡裝的不是提前經由基因程式設計的高級電腦,只會以特定方式工作。大腦的運作遠比這更複雜。它包含大約一千億個腦細胞,每個都可以和其他數以萬計的腦細胞相連接。這意味著,大腦中可能存在至少一兆個連結,比宇宙銀河系或任意星系中的恆星數量還多一千倍。
可以說,你的頭腦裡裝著你自己的宇宙。這種說法聽起來有點科幻,但事實就是如此。
老的腦細胞不斷死亡,新的腦細胞不斷產生。細胞間的連接在需要時獲得建立;不需要時,則被切斷。這些連接的強度,取決於大腦如何重新設計其架構。你可以把大腦視為一個不斷變化狀態的高度複雜生態
系統,在整段生命中都不斷改變一不僅在你小時候是這樣,長大後或學習新東西時也是如此。你所感受到的每一種感覺、每一個想法,都會在大腦裡留下一絲痕跡,並微妙地改變著你。大腦的改變是一個持續不斷的進程,你今天的大腦和昨天的就不太一樣。
大腦優劣的關鍵
有人認為,腦細胞的數量或大腦的體積決定了大腦功能的優劣。這種說法是不對的。最有說服力的例子莫過於阿爾伯特,愛因斯坦,他的大腦和常人相比既不大也不重。愛因斯坦的大腦重一二三。公克,而男性大腦的平均重量約為一三五o公克,女性則平均比男性輕一百公克。
有很長一段時間,我相信大腦能力的好壞是由腦細胞之間的連接數量決定的。但這個想法也有不對的地方。兩歲兒童腦細胞之間的連接數量明顯比成年人更多,但隨著孩子的成長,連接的數量便會減少。這個過程稱為修剪(pruning)。據估計,從兩歲到青春期,每二十四小時就有多達兩百億個連接在消失。大腦除去了無用的連接,為信號傳導騰出空間。這可以概括為:神經元一齊開火,一齊串連。
但是,如果決定腦力的既不是腦細胞總量也不是腦細胞連結數,那又是什麼呢?答案是,當我們忙碌(比如騎自行車、閱讀一本書或者計畫晚餐)時,大腦會應用的一種「功能網路」程式。在你的大腦裡,有一個功能網路用來游泳,一個用來騎自行車,還有一個用來簽名。基本上,你所做的一切都依賴這些功能網路。它們是由一系列相互連接的腦細胞構建,而一個完整的網路可以整合來自大腦不同區域的細胞。為了達到最佳狀態(以便你能游泳、騎自行車或簽名),大腦的不同區域需要合作。
小時候,我們都是語言天才
童年時,腦細胞間的連接消失會對一生造成影響。生於瑞典的孩子擁有學好日語的所有先決條件,只要在講日語的環境中成長,就能說出一口標準的日語。相反地,對多數人來說,成年時學會說流利日語又不帶口音是不可能的。無論做過多少練習,總會不經意暴露自己的口音。
這就是語言的特點。一旦長大,就很難完完全全複製別人講話的方式,因為我們學習語言的先決條件已經消失了。要是童年時期從來沒聽過這種語言,處理這些聲音的腦細胞連接便開始消失。對我們來說,相關能力的大門也就關閉了。就神經學的角度而言,我們終生都在關閉語言學習的大門。然而在小時候,我們個個都是語言小天才。
練習造就更靈活的大腦程式
舉個例子,假設你想學習彈奏一首簡單的鋼琴曲,必須得靠大腦中的許多不同區域一起努力才能達成。首先,你需要看琴鍵,信號透過眼睛,從視神經傳遞到位於枕葉的初級視覺皮質;同時,運動皮質必須協調你的手和手指在琴鍵上的運動;聽覺皮質則處理聲音資訊,並將其發送到位於顯葉和頂葉的聯合區。資訊最終會到達額葉(意識和高級功能的中樞),你會意識到自己彈的是什麼,並且可以糾正彈錯的音符。而所有這些活動的核心,只是為了演奏一首簡單的鋼琴曲!
視覺中樞、聽覺中樞、運動皮質、頂葉和額
所有這些區域都是大腦完成音樂演奏的一部分。你練習越多,彈得就越好,而這個程式在大腦中運行的效率也就越高。開始時,要演奏一首曲子得費盡千辛萬苦,讓你感到這程式效率低下、表現笨拙,需要多個完整的大腦區域共同參與。這就是為什麼你會覺得練琴伴隨著精神壓力,因為你需要專注於完成這些任務。
隨著時間的推移和練習的繼續,演奏會變得容易。你一旦付出足夠的努力,就能邊演奏邊思考別的事情。大腦在練習演奏的過程中,學會更有效率地傳遞資訊:透過網絡傳遞的重複信號加強連接(由那些齊心協力的神經元一齊開火,一齊串連)。最後,演奏一首曲目所須的努力越來越少,你將能不費吹灰之力就演奏出來。
由於演奏曲目的過程啟動了大腦不同區域的細胞,因此這些區域需要緊密連接,程式才能運行良好。就像在電腦中,所有不同的元件都需要連接才能運轉。如果沒接好,即使每個零件都是好的,電腦也打不開。
因此,大腦運轉的效率並非取決於腦細胞數量,或者細胞之間的連接有多少,而是不同區域(例如額葉和頂葉)是否能密切聯繫。正如你在本章開始時已經讀過的那樣,活動身體可以讓大腦的不同部分取得更強的聯繫。這種連結是讓大腦得益於運動的本質。在後續篇章中,你將讀到更多相關內容。
細胞的連結透露了生活的方式
大腦的不同區域間似乎都有程度不一的聯繫。這聽起來有點奇怪,但從科學研究的結果來看,這可能是認知能力具有個體差異的重要成因。而這個特殊的研究領域,最近有了一項吸引人的發現。
一項數百人參與的複雜實驗結果顯示,大腦不同區域連接得較緊密的人,也同時擁有更多優秀的特質,例如良好的記憶力和注意力、較高的教育程度以及不濫用成癮物質。至於那些具有「壞」習慣的人(例如易憤怒、濫用成癮物質),研究者已經從他們的大腦中觀察到相反的特徵一大腦相關區域連接得並不好。
許多優秀特質在大腦裡留下了印記,而消極的特質似乎也留下自己的痕跡,這意味著我們的大腦裡有個「積極一消極的槓桿」。取決於我們的生活方式,上頭的任何一點都可以被當做平衡點。進行這項研究的科學家相信,透過查看一個人的大腦連結模式,可以大致了解他的生活。除了良好的記憶、較高的教育程度和不溫用成癮物質之外,還有什麼會被當成這個槓桿上的積極信號?那就是-----良好的健康狀態。
主觀臆斷?
你可能會認為這類型的研究有主觀臆斷或菁英主義的傾向。畢竟,這是透過「積極一消極的槓桿」來替人們分高下。我完全理解這種解釋,但也認為這種想法忽略了一點:我們固有的特質既非受到大腦連結模式的影響,也非我們在這個槓桿上的位置,而是生活的方式。
藉由選擇,我們可以在更基礎的層面上改變大腦的運作模式。所以說,不僅是大腦決定我們的思想和行為,我們的想法和動作也可以反過來改變大腦。大腦是由我們自己掌控的,而不是反過來。從這個角度來看,要改善大腦不同部位之間的聯繫,最重要的顯然可能是定期運動-----良好的身體狀態會讓槓桿傾向於積極的一方。
大腦終生都在變化-----神經可塑性
「要是我小時候學過一項樂器就好了,現在學已經太晚了。」你我都曾有過類似的想法。的確,大腦在兒童時期的可塑性非常強。從語言到運動,孩子學任何東西看來都很迅速且自然。但是為什麼他們的大腦能在如此短的時間內學得如此多,又如此輕鬆呢?
因為年幼個體必須盡快學會在世界上存活。在大腦中,細胞不僅能夠建立彼此之間的聯繫,也能將已建立好的連接分開(即修剪)。正如你所注意到的,這種機會一旦錯過就不再有。不過,應變能力(以科學術語來說是神經可塑性)可能是大腦最重要的品質。因為即使在成年之後,大腦的靈活性不比孩童時那麼好,其可塑性也不會完全消失。就算是成年人(哪怕是八十歲的老人),也具有神經可塑性。
為求準確了解成人大腦的影響和變化,看看四十二歲美國女性蜜雪兒,麥克(Michelle Mack)的故事吧!她奇特的人生軌跡,改變了我們對人腦真正能力的理解。
只有半個大腦的女人
蜜雪兒,麥克於一九七三年十一月出生於美國維吉尼亞州。早在她出生幾週後,她的父母就注意到有些事情不對勁。蜜雪兒無法集中注意力、無法正常移動四肢,特別是右臂和右腿。
她的父母多次帶她去讓專家檢查眼睛,想弄清楚孩子是否惠有腦性麻痺。但專家們都說沒有。他們所諮詢的神經科醫師們,都無法透過蜜雪兒的症狀和X光片結果來判斷她得了什麼病。在一九七零年代早期,現代技術(即電腦斷層掃瞄和磁滋振造影)仍處於不成熟階段。到了蜜雪兒三歲時,她還不會走路,也幾乎不能說話。此時,醫師建議她再接受一次X光檢查,因為自她第一次接受檢查以來,醫療診斷技術已經有了巨大進展。
一九七七年,電腦斷層掃瞄結果令她的父母及醫師十分震驚。蜜雪兒沒有左腦,而問題可能發生在她還是個胚胎的時候。
一種可能性是蜜雪兒在出生前曾中風;另一種可能性是她的左頸動脈發生阻塞,使血液無法流向大腦左側。總之,沒有人能夠提供明確的答案,但有一點很明確:蜜雪兒左腦中超過九成的部分都遺失了。
人們通常認為左腦掌管分析和理性(即數學和語言思考),而右腦則掌管著藝術和創造性。儘管這樣的劃分有些絕對,但不至於和事實差得太遠。考慮到左腦所承擔的一系列任務,蜜雪兒的許多症狀突然有了解釋。她無法正常說話,可能是因為大腦缺少了管理語言的部分。而且,由於左腦也負責身體右側的移動(反之亦然),所以毫無疑問地,她的右手和右腿移動起來都會有困難。
然而,最讓人驚奇的,不是蜜雪兒在出生後第一年的表現,而是後來發生的一切。她在接下來的人生裡,以醫師料想不到的速度,成功掌握先天所缺乏的能力。她學會了走路、說話、閱讀,而且水準和其他人差不多,只是學得比同齡者稍微慢一點。
如今,蜜雪兒在許多方面過著和一般人無異的生活,甚至在她的教區做著一份兼職工作。即使沒有具備相應功能的大腦區域,蜜雪兒對單詞的掌握能力也接近正常了。雖然她的右臂和右腿活動能力有限,但她可以照常行走。
檢測發現,蜜雪兒不太能進行抽象思考,卻能把細節記得一清二楚。由此,人們發現她有一項特異功能:可以立即回答出任意哪一天是星期幾。如果有人問蜜雪兒:「二o一o年三月十八日是星期幾?」她可以幾乎不假思索地答出:「星期四。」
蜜雪兒的右腦,接管了原本應該由缺失的左腦所處理的任務。曾有研究顯示,少部分的腦組織缺失,的確可以由其他部分彌補,但很少有人能完成如此大範圍的大腦重構,讓剩下的一個大腦半球彌補失去的另一個半球。在蜜雪兒的腦組織裡,隨處可見腦細胞的連結,讓她的右腦看起來有些擁擠。事實上,蜜雪兒在視覺空間定位方面有點問題(即無法判斷距離和定位空間)。視覺空間定位中樞通常存在於右腦(即蜜雪兒完好無損的部分),所以一般認為,由於蜜雪兒的右腦需要同時承擔屬於左右腦的雙重任務,使得容量有限的右腦無法圓滿完成全部任務。
蜜雪兒具有記憶日期的特殊能力可能並非偶然。大腦兩半球以一種「洋特法則」(編按:Law of Jante,指個體行事低調,整體優於突出的個體)的形式相互作用。大腦的一個半球不只會彌補另一個半球的功能,也可能抑制對方,防止某一區域變得太強大,以免腦部各區域失去平衡。這也說明了為什麼多數人都能擁有一套完整的生存技能,不是只擅長某些領域。如果大腦兩半球之間無法溝通,也可能會喪失腦部各區域的平衡,造成部分能力異常,而這往往會危害他人。
你的生活方式,改變了你的大腦
人們對「基因或環境對我們的影響」這一問題,有時熱切有時冷漠,但觀點卻日益極端、奇特。直至今日,我們確切了解命運既非由基因決定,也不是環境定奪的,而是兩者的結合。我們也知道基因和環境密切相關,例如環境會透過複雜的生物機制,影響我們的基因一一去氧核糖核酸(DNA)。
有幾個數字清楚地表明,基因不是組成你的大腦或決定你個人的唯一因素。你大約擁有二,三萬個基因,也大約有一千億個腦細胞,而它們之間又有大約一兆個連接。你那二,三萬個基因不可能控制這一百萬億個連接。原因很簡單,大腦太複雜,無法由一個確切的、預先決定的基因程式來掌管。
你的基因為腦細胞如何生成和死亡、彼此之間如何連接和斷開,奠定了基礎。但是,這一切如何發生、養成哪些性格特徵及心理狀態,則是受你的生活經歷(生活在什麼類型的環境、生活的方式)影響。
就生活方式而言,本書的關注點在運動方面。雖然它不是決定大腦發展的唯一外在因素,但研究發現,運動對大腦功能有著舉足輕重的作用,其重要性甚至超越了多數人的理解範圍。
行走的搜尋引擎
美國人金.匹克是電影《雨人》中,雷蒙.巴比特這個角色的原型(由達斯汀.霍夫曼飾演)。匹克的胼胝體在出生時受到損傷。胼胝體是大腦的一部分,它連接了大腦的左右半球,其損傷會引起左右腦的溝通錯誤。匹克四歲才學會走路,而且醫師認為他有嚴重的精神疾病,建議送他去精神病院。
但就像蜜雪兒,匹克以人們無法預見的方式成長。
大約五歲時,匹克學會閱讀。每讀完一本書,他都會把封面朝下放好。他的父母驚訝地看到家裡很快就堆滿封面朝下放置的書本。那時,匹克就對書中的細節展現出難以置信的記憶力一可能是人類有史以來最好的記憶力。他可以同時閱讀一本書的左右兩頁:左頁用左眼,右頁用右眼;每十秒就能讀完一頁,一小時便可讀完整本書。他最喜歡去公共圖書館,每天會在那裡讀八本書。
他能記住自己讀過約一萬兩千本書中的所有內容。他的腦海中擁有難以計數的各類資訊,從莎士比亞到英國王室,再到完整的美國郵遞區號列表。如果有人能被稱為「行走的搜尋引擊」,金,匹克當之無愧。
與蜜雪兒一樣,匹克也可以立即說出前後數十年中的任何一天是星期幾。人們經常走到匹克面前,說出自己的出生日期後詢問那天是星期幾。他不僅能立刻給出正確答案:「你出生那天是週日。」還可以補充,「你這週五就滿八十歲了。」
金.匹克的能力是如此獨特,讓他被稱為「金電腦」和「超級怪人」。但對他來說,生活不是一件簡單的事。他在社交場合不知道怎麼說話,而且幾乎不會自己穿衣服。儘管有著非凡的記憶力,他的智力測驗結果卻低於正常水準。不過,每當神經學家要求對他進行科學研究時,匹克總是非常配合,並且自願奉獻自己的時間。
此獨特案例為解讀人類記憶提供了重要線索。目前的研究結果顯示,匹克會擁有非凡記憶力,是因為他的大腦兩個半球間缺乏溝通、各區域之間無法彼此平衡。
大腦的程式可以被重置
金.匹克和蜜雪兒,麥克的經歷既有相似之處,也有不同的地方。蜜雪兒的情況是,大腦各區域間的聯繫依然存在。不過,她少了一半大腦。這種類型的缺失和匹克的大腦兩半球間無聯繫,具有相同的效果,使得某些能力無法被抑制,產生了超群的功能。
金,匹克和蜜雪兒,麥克或許也是神經可塑性最好的例子-----他們的大腦具有極佳的重組能力,而且大腦的結構和運行模式也是可以改變的。這種可塑性不僅存在於這兩人的大腦裡,也存在於你我的大腦中。
但是為什麼要在這本關於運動對大腦影響的書中,花費這麼多篇幅來講述這個故事呢?原因很簡單:因為不是每個人都知道大腦存在可塑性,所以我要讓人們都知道這一點。接下來的問題將會是,什麼改變了大腦?這就和運動有關了。
大腦像可塑陶士,而非燒製成型的瓷器
神經可塑性的研究發現,能使大腦發生變化的因素比較少,但身體活動是其中之一。研究也發現,不需要太長時間的運動量,短短二、三十分鐘便足以有所影響。
將身體活動轉換為可塑大腦的機制中,有一種胺基酸稱為y-胺基丁酸(GABA)。它就像大腦的刹車系統,能抑制大腦的活動,確保腦部組織不產生任何變化。但是,因為運動時可以消除GABA的抑制功能,所以其影響力會在運動時衰退,從而使大腦變得更加靈活、更容易進行自我重組。如果把大腦比做可塑的陶土,而非燒製成型的瓷器,抑制GABA活性便可以讓陶土變得更加柔軟、更具可塑性。
運動者的大腦會變得跟小孩的大腦一樣充滿可塑性,GABA則參與了這一轉變的過程。
希望你現在已經意識到,我們的大腦具有多麼強大的可塑性,而因為運動可以修改並且簡化大腦程式,所以它在大腦的變化中扮演著重要角色。
運動會在很多方面產生效果。現在,讓我們把目光放到這些相關層面上,尤其是對心理健康的影響。下一章,我們將從困擾當今許多人的緊張和焦慮問題開始說起。
我們只用了10%的大腦嗎?
有的理論說,我們一生只使用了10%的大腦。現在,是時候摒棄這種神話傳說了。當然,讀這段的最後一句時,或許你確實「只使用了10%的大腦」。騎自行車時,只用10%的大腦也並非不可能(儘管和閱讀時使用的那10%,不一定是同一部分)。實際上,我們確實利用了整顆大腦,只是取決於具體在進行的事情不同,使用的部分也不同。
現在,我們知道大腦中的電傳導、葡萄糖及氧氣(大腦的主要燃料)的消耗持續進行中,這意味大腦總是醒著的,沒有一個區域會一直閒置,永遠不會有九成處於休眠狀態。想要了解大腦調動不同區域的超凡能力,只須回想一下蜜雪兒.麥克,她的大腦能立刻調度任何原本處於休眠狀態的區域。
考慮到大腦的能量消耗,「只使用10%」顯然也是一個神話。大腦活動吞噬的耗大能量,約占整個身體所須能量的20%,但大腦只占身體總重量的2%。這意味著,大腦組織的能量消耗是身體其他部分的十倍。從演化的角度來看,這樣耗能大的器官不宜太大,也沒有必要增大。因為大腦的增大會消耗更多食物,人們就需要花費更多時間和精力來尋找食物。如果大腦的確有九成都不活躍,多花費時間和精力尋找食物就成了濫用資源。
與其他物種相比,這種浪費很顯然不會在天擇的路上長存。