互动科普

当我们看电视、翻阅杂志或浏览网页时，常会遇到各种脑力训练广告，劝告我们每天都要做大脑适应性训练，才能使大脑高效、灵活地运转。训练方式不拘一格：背诵物品清单、玩填字游戏，甚至估算公园里有多少棵树也行。

这些方法看似平淡无奇，却有着深刻的神经生物学机理。最近，科学家用大鼠进行的研究表明，认知训练能提高成年大鼠大脑内新生神经元的存活率，而且训练难度越大，大鼠越投入，存活下来的新生神经元越多，以帮助大脑解决复杂问题。由此看来，脑力训练可使大脑变得更聪明，就像体育运动能使身体强壮一样。

对于不喜欢动脑筋的人来说，这一发现尤其具有警示意义，更重要的是，它支持一个在坊间广为流传的假说：经常进行脑力训练，老年人或阿尔茨海默病的早期患者可以延缓认知能力衰退。

神经元消失了

生物学家一直认为只有在发育期，大脑才会长出新神经元，但10年前的一个重大发现颠覆了这一传统观点：当时在美国洛克菲勒大学工作的伊丽莎白·古尔德（Elizabeth Gould）发现，成年动物的大脑会长出新神经元，尤其是在与学习、记忆相关的海马区。不久后，科学家在小鼠、猴子等试验动物身上也得到了类似结果。1998年，美国和瑞典的神经科学家证实，成年人大脑内也存在新生神经元。

研究啮齿类动物时，科学家通常会给它们注射BrdU（bromodeoxyuridine，溴脱氧尿苷），用以标记新生神经元。在显微镜下，含有BrdU的神经元很容易分辨。大鼠试验的结果显示，在成年大鼠的海马区内，每天会长出5,000～10,000个新生神经元（尽管人类大脑也会长出新生神经元，但具体数字我们还不清楚）。

不过，新神经元的生成时间和数量并没有特定准则，很多外界因素都会影响神经元的生成：研究显示，体育锻炼会促进新神经元的生成，喝酒则会起到相反的作用。如果让小鼠在转轴上跑步，它们大脑内的神经元生成速率，是成天呆着不动的小鼠的两倍。有趣的是，给小鼠喂食蓝莓似乎也能增加海马区新神经元的数量。

虽然锻炼等多种方式都能促使大脑长出新神经元，但其中大部分都会在几周内死亡。当然，机体内大部分细胞都不能无限期存活，细胞凋亡并非奇异事件，可新生神经元以如此快的速度集体消失，就颇令人费解了。大脑费时费力地生成这些神经元，为什么又让它们迅速消失呢？

拯救神经元

从大鼠试验来看，大脑生成新神经元的目的，可能是为执行新任务做准备。1999年，我和古尔德（目前在普林斯顿大学工作）在一系列试验中，让大鼠学习一种新技能，然后观察学习行为是否会影响海马区新生神经元的存活状况。我们发现，如果让大鼠执行有难度的“认知任务”，新生神经元就会留下来；反之，它们就会消失。

大鼠“被迫”学习的技能叫做追踪性眨眼条件反射（trace eyeblink conditioning，见第42页图），类似于巴甫洛夫条件反射（经过训练，狗会把铃声和食物联系在一起，一听到铃声就会分泌唾液）。在眨眼条件反射试验中，动物在听到声音后的极短时间内（通常是500毫秒，即半秒钟），会受到一个眼部刺激而眨眼（向眼睛吹气，或给眼皮一个温和的刺激）。

经过几百次训练，大鼠就能建立声音和眼部刺激间的联系，预测刺激何时发生，并在受到刺激前闭上眼睛。这种条件化的反应说明，大鼠已经学会将两件事在时间上联系起来。在人类看来，它们的“成就”似乎微不足道，但这为研究动物的“预测性学习能力”提供了一个很好的模型（预测性学习能力是指，通过以往经验来预测未来事件的能力）。

为了研究学习行为和神经元生长的关系，试验开始前，我们给所有试验大鼠都注射了BrdU。一周后，50%的大鼠开始接受眨眼条件反射训练，其余的继续关在笼子里。经过四五天的训练，我们观察带有BrdU的新生神经元时发现，在建立了眨眼条件反射的大鼠大脑内，新生神经元数量明显比留在笼子里的大鼠多。我们推测，眨眼条件反射训练能使很多本应迅速消失的新生神经元留存下来。而对于笼子里的大鼠，它们的大脑内基本没有携带BrdU的神经元——也就是说，在试验开始时携带了BrdU的神经元已经死亡。而且，训练成绩越好的大鼠，留存下的新生神经元就越多。在接受其他训练的大鼠身上，我们也观察到类似现象。

刚开始进行眨眼条件反射试验时，我们主要观察训练成绩较好的大鼠，它们能在眼部刺激发生前50毫秒眨眼，成功率在60%以上。最近几年的试验中，我们也开始观察训练成绩较差的大鼠，试验结果已于2007年发表：经过800多次训练，仍学不会正确判断刺激时间的大鼠和没经过训练的同伴一样，大脑内的新生神经元都会很快消失。

我们也曾通过减少训练次数来加大试验难度。当训练减少到200次时，原来能学会眨眼反射的大鼠中有一部分就学不会了。最终结果与此前的试验相似：训练次数相同的情况下，学会眨眼反射的大鼠保留了更多的新生神经元。上述结果说明，新生神经元得以留存的关键，并不在于训练方式和处于何种环境，而是学习过程。

尽管海马区的新生神经元能否存活依赖于学习过程，但不是所有学习任务都有这种作用。训练动物爬上水池里的可见平台，对新生神经元的存活就没什么用。如果训练动物时，两种刺激几乎同时发生，也无法拯救新生神经元。以眨眼反射为例：试验中，如果声音信号一结束，就刺激大鼠眼部，而没有500毫秒的时间间隔，新生神经元便无法留存下来。

我们推测，这是因为上述任务难度较低，动物无须仔细思考。游上可视平台算是大鼠的本能，毕竟它也不想淹死在水池里；如果眼部刺激和声音信号的结束同时发生，大鼠根本就不需要记住信号何时结束，也就不必预测刺激什么时候发生，只要记住声音信号一结束就闭眼即可。

我们推断，学习任务越难，动物投入的精力越多，留存下来的新生神经元就越多。为了验证这一想法，我们对眨眼反射试验稍加改动，进行了另外两组试验。第一组相对容易，试验开始时，声音信号首先响起，紧接着我们便刺激大鼠的眼部——也就是说，两个步骤在时间上基本同步，听到声音就眨眼即可，就像赛跑选手听到枪声就起跑一样。结果不出我们所料，这一训练不能拯救大鼠大脑内的新生神经元。

在第二组高难度试验中，我们大大延长了声音信号的持续时间，在信号即将停止前刺激大鼠眼部。由于信号持续时间长，眼部刺激又发生在信号结束前，大鼠无法把信号结束作为准备眨眼的参考时间点，因此它们要完成任务，就必须准确记住声音信号何时开始，预测眼部刺激何时发生——不用说动物，即便对于人类，这也是一个高难任务。我们发现，在该试验中表现出色的大鼠的大脑内，很多新生神经元存活下来，甚至比接受原始版本的训练时还要多。

有趣的是，我们在眨眼反射试验结束后发现，在学得较慢的大鼠（需要接受更多训练才能准确掌握眨眼时机）的大脑内，存活新生神经元的数量要多于学得快的大鼠。从这一点来看，海马区新生神经元的存活数量可能还与训练量有关，并不是学得越快存留得越多。

生死时间线

目前还不清楚的是，为什么高难度学习任务更利于新生神经元的存活。一种假说认为，难度较高或长时间的学习训练，不仅能激活海马神经回路中的神经元（包括新生神经元），还会使它们更为活跃，这个过程对于神经元的存活非常关键。就个人而言，我比较支持该理论。

首先，很多科学家都已证明，学习行为（如眨眼反射试验）能提高海马区神经元的兴奋度，使它们更为活跃；反过来，海马区神经元的活跃程度又能反映学习状况：神经元越活跃，动物学得越好。

其次，有证据显示，只有在一个关键时间段内，学习行为才有助于新生神经元的存活。对啮齿类动物而言，这个关键时间段大约是新神经元长出后的1～2个星期。一项最新研究也得出了相似的结果：学习行为可以使动物大脑内“年龄”为7～10天的新生神经元存活下来。如果在神经元长出后的前7天，就让动物接受学习训练，时间太早，不能达到预期效果；时间超过10天，新生神经元已经死亡，训练将无任何作用。在7～10天这个时间段，恰好也是新生神经元长出树突和轴突的时间，它们开始对特定的神经递质（携带神经信号的化学物质）作出适当反应。树突和轴突好比神经元的信号接收器和发射器，前者负责接收其他脑区的神经信号，后者则向邻近脑区传递信号。

这些结果暗示，新生神经元只有发育成熟，并整合到神经网络中，才能在学习过程中发挥作用。当学习任务难度较高时，海马区的整个神经回路（包括新形成的回路）都将动员起来，新的回路也因此而存留下来。如果任务不难，新回路就无法被激活，最终消失得无影无踪。

新生神经元的作用

每天，海马区都会长出成千上万的神经元，如果动物在适当的时间接受学习训练，这些神经元就会留存下来。但它们有什么用呢？刚长出的神经元肯定对学习没什么帮助，而动物几乎随时可能面临学习任务，在这种情况下，大脑不可能花上个把星期的时间，等待新生神经元慢慢成熟，逐渐融入功能性神经网络。我和同事猜测，新生神经元可能会在一段时间后，从某些方面影响学习行为。

为了证实这一想法，我们决定“除去”动物的新生神经元。如果它们对学习行为很重要，除去它们后，动物的学习能力应该会下降。不过，在技术层面，从大脑中去掉新生神经元是不现实的，我们采取了一种间接的方法：连续几周给大鼠喂食一种名为MAM的药物，抑制细胞分裂，阻止新生神经元的生成。然后，我们开始训练大鼠。

在标准的眨眼反射试验中，我们发现，服用了MAM的大鼠很难学会准确预测眼部刺激的时间点。但在其他与海马区高度相关的训练中，大鼠却表现得很好。我们把大鼠放入浑浊的水池，让它寻找隐藏在水下的平台。水池周围有些空间标记，可以帮助大鼠进行定位。结果显示，不管有没有去除新生神经元，大鼠都能以差不多的速度找到平台。

我们在试验中还发现，服用了MAM的大鼠也能记住特定地点，特别是在它们的情绪发生过激烈波动的地方。如果在某个笼子内，大鼠的脚部曾遭到电击，我们再次将它放进这个笼子时，它会非常害怕，呆在原地一动不动。这个情感体会试验叫做情景恐惧条件反射，大鼠的反应与海马区高度相关，但试验结果表明，大鼠的表现似乎也与新生神经元是否存在无关。

综合所有试验，我们不难看出，新生神经元缺失后，动物的学习能力并不受太大影响，但在执行难度较高的任务时，却显得比较吃力。因此，我们推测即便新生神经元对学习很重要，也只是针对特定任务——主要是那些与认知相关的学习任务。

从生物学角度来讲，这是可以理解的：动物每次遇到关系生存的问题时，大脑不可能立即长出大群新生神经元来解决这些问题。因此，新生神经元的作用很可能是微调和改进已有技能。在心理学上，这叫“学会学习”。

如果人脑没有新生神经元

上述所有试验都是在动物身上进行的，不是大鼠就是小鼠。如果人脑海马区没有新生神经元，会出现什么情况？现代医学为我们提供了很多鲜活例子：化疗和MAM作用类似，也会抑制细胞分裂，因此患癌症而接受全身化疗的病人无法生成新神经元。有意思的是，我们发现接受化疗的癌症病人常抱怨学习新东西时感到很困难，还老忘事儿——我们把这些症状称作“化疗脑”（chemobrain）。

在某种程度上，这一现象和我们的试验结果是一致的。服用了MAM的大鼠的学习并不会受到太大影响，而在多数情况下，接受化疗的病人的认知能力也不会明显下降，日常穿衣、上班、做饭、社交都没问题。但是，根据动物试验的结果推测，若让化疗患者执行对正常人而言都比较复杂的学习任务（比如多重处理任务，即在接受新信息的同时，还要进行多个任务操作），他们的表现很可能会受到一定影响。

要弄清新生神经元在人类学习过程中到底扮演什么角色，科学家必须开发一种在不伤害大脑的前提下，就能检测活体新生神经元的技术。另外，他们还得找到一种方法，能在人们学习过程中，阻止新生神经元发育成熟。前一种技术已处于研发阶段，而后一种方法可能需要更多的时间才能实现。

假如我们能随时调用一些新生神经元，使思维始终保持敏捷，这是否意味着，促使大脑生成新生神经元可以缓解或治疗使认知能力衰退的疾病呢？

以阿尔茨海默病为例。该病患者的海马区神经元不断退化，导致学习和记忆能力逐渐丧失。虽然他们的大脑每天也会长出新神经元，但这些神经元还未发育成熟就会凋亡。其中的原因可能是神经元生成和神经元成熟的机制遭到破坏，或者疾病损害了患者的学习能力，致使新生神经元不能存活。

一些最新研究也带来了希望，至少对早期痴呆症患者有所帮助。对正常动物和人的研究显示，某些简单运动（如有氧运动）便能促进新神经元的生成。还有科学家发现，抗抑郁药能有效调节神经元生成。2007年，一项研究表明，长期服用抗抑郁药能改善阿尔茨海默病患者的日常生活——这就说明，抗抑郁药可能会增加新生神经元的数量，并提高它们的存活率。

一些实例也说明，患者常接受学习训练有助于缓解病情。最近，我在一个与阿尔茨海默病等痴呆症有关的学术会议上，报告了我们的动物试验结果。当我提到复杂的学习训练能提高新生神经元的存活率时，与会临床医生们对此很感兴趣，他们说学习训练对痴呆症患者的好处显而易见，那些积极参与复杂认知活动的患者，病情恶化往往比较缓慢。

如果你认为积极参加学习训练、体育运动，同时服用抗抑郁药，就能完全治愈阿尔茨海默病，使遭到破坏的大脑部件恢复如初，那么你就错了。这类疾病对大脑的损害，远不只是新生神经元。不过，上述做法的确可以延缓认知能力的衰退——不仅是痴呆症患者，对于健康老年人也是这样。

西方人常说：“老狗学不会新把戏”，别说是狗，大多数成年人在学习新技能时都会感到吃力。但是，如果你想保持大脑活力，学习一门新语言、学跳踢踏舞、常常参与体育锻炼，都是不错的选择。