你出生前的运动能力或许比你现在强多了

出品：科普我国

制造：许培博（我国科学院脑科学与智能技术杰出立异中心）

监制：我国科学院计算机网络信息中心

1487年的一个幽静的夜晚，达芬奇醒了，虽然只睡了半个小时，他仍然容光焕发, 因为他要完结一项他期待已久的试验--找到“魂灵”地点。

他的试验对象是只青蛙，本来期待着能像罗马历史学家李维（Livy）笔下描绘的那些驱象人相同：“用尖利的尖物刺在双耳中心脖子与脊柱相连的方位，可以给予大象最敏捷的逝世。”可是大象太巨大了，他无法确认自己什么时分能制造出与其体积般配的试验手术刀。依据罗马军事作家韦格蒂乌斯（Vegetius）在《罗马军制论》的详细描绘，他可以轻易地制造一把适用于青蛙的手术刀。

在试验进程中，选取脊髓作为损害位点不仅仅是出于猎奇，“原动力（generative power）”--他记住柏拉图在蒂迈欧篇里便是这样描绘脊髓的，他猜测那里必定隐藏着生命与魂灵的隐秘。几个小时后，当他预备再次小憩时，达芬奇激动地记载下了今日的试验成果：“青蛙可以在头部、心脏以及一切的内脏去除后仍然能存活几个小时，但假如你刺穿脊髓，青蛙马上抽动而且逝世。”

赤色粉笔画的肖像，画于大约1512年至1515年，被广泛视为开始的达芬奇自画像。意大利文艺复兴时期的一个博学者，与米开朗基罗和拉斐尔并称文艺复兴三杰。（图片来历：totallyhistory.com）

达芬奇手绘的被刺毁脑脊髓的青蛙的脊柱。左上是颅骨底部与穿过枕骨大孔的脊髓部位分化图。沿着脊髓上的文字标记取“原动力”（译）。脊髓左面的是达芬奇常用的镜像文字，右边文字稀有的以正常方向书写，包含“触觉，运动之原因，神经之来历，动物力气之通道”。下面一排图示描绘了腿部、手臂和骨头的周围神经[1]。

这个试验成果对达芬奇来说是超出预期的，因为依照其时的传统观念，头颅、心脏或许是肝脏被以为是生命与魂灵的柱石，可是达芬奇却发现即便移除这些器官也并未能敏捷的杀死动物。

就这样，作为有记载的第一个脑脊髓刺毁法的试验者，达芬奇以为他发现了动物的“运动和生命的根底”。虽然他对“魂灵”探究还在持续，但这位文艺复兴年代的艺术家兼科学家对脑部的探究，解放了人们对大脑、运动与生命的懵懂认知。

出生前，你现已能完结多种运动

咱们常听到一句标语—“生命在于运动”，这种说法是源于法国启蒙年代的思想家伏尔泰。虽然对已故巨人冠名宣扬的做法已层出不穷，但运动的确呈现于生命伊始。早在胎儿时期，咱们就现已可以完结多种运动，最常见的便是腹中的孩子狡猾地踢妈妈的肚子。

风趣的是，这类前期行为并不是灵长类独有，鸟类在胚胎时期也可以移动和宣布吱吱叫的声响。研讨标明，频频的吱吱叫或许在蛋壳内宣布咔哒声，有助于加快孵化进程[2]。

手掌握反射（palm grasp reflex）是人类前期运动行为的典型比如。假如用手指碰触婴儿的手掌，宝宝的手会马上曲折手指并捉住它，假如抓的足够紧，乃至可以时刻短的将宝宝提起来。千万别小看这个手掌握反射，当年还在树上的老祖宗，便是依托这项被迫技术添加了生计的几率。

手掌握反射（https://makeagif.com/gif/palmar-grasp-reflex-c5rYzR?position=2）

运动行为好像神经体系相同，跟着发育进程逐步构成并完善。因为胚胎期和成年期所在环境的悬殊，每个动物都会对特定的环境进行阶段性的习惯。手掌握反射一般呈现在婴儿期0到3个月。相同关于人类婴儿，当你轻轻触碰他（她）的脸颊或嘴唇的时分，他（她）就会眯着眼敏捷把脸转到你的手指那儿，然后做出吸吮的动作，这是一个根本的寻食反射，能确保母乳抚育成功进行。可是假如你这样逗一个5岁的熊孩子，天知道你的手会发作什么。

寻食反射（https://makeagif.com/gif/rooting-reflex-GFTJtP）

除了这些简略反射以外，更杂乱运动行为的树立依赖于简略的神经环路从发育到构成终究到整合的进程。20世纪20年代，美国解剖学家Coghill凭借蝾螈探究神经肌肉体系的发育进程[3]，并结合已有的解剖结构和详尽的查询，Coghill发现蝾螈最早的运动分为四个阶段：一是颈部向一侧的缓慢曲折期，二是环绕期，三是‘S’期，到最后的游水。

图说：蝾螈胚胎的行为发育进程。从简略的一侧曲折到终究杂乱的游水行为，整个进程需求多品种型神经元的发育构成、简略环路的树立与整合[3]。

这种游水环路的树立依赖于感觉神经元与运动神经元，它们在预反射发作期支配了皮肤和肌肉。在曲折发作时，存在一类中心神经元，衔接感觉神经元与运动神经元，使一侧的感觉通路传递给另一次的运动通路。这类神经元在曲折期与环绕期仅生成于脊髓与后脑的前部，所以来自皮肤的影响信号向上穿越同侧的感觉通路，经过中心神经元跨过蝾螈颈部，影响对侧的运动神经元，终究导致了蝾螈颈部的曲折。信号持续沿着这一侧向下传导，使得脊髓后边相连的身体节段的运动神经元呼应，蝾螈的整个身体于是就变成了环绕状。跟着发育的持续进行，这种交流身体两边的中心神经元逐步生成并参加脊髓后端，蝾螈就能更轻松自如的呼应影响，控制自己的身体做出律动性的反响--游水。

脑子不好使？去运动

跟着个别的生长发育，运动行为也逐步变得杂乱多样，例如，歌唱、跳舞、打篮球。有些人进行不同品种的运动是出于爱好，也有些人也是为了强身健体。除此之外，咱们常常疏忽的一点是运动关于脑健康的影响。

1978，Spirduso 和Clifford对年青与年长的网球运动员、跑步选手与久坐者别离进行了决议计划、运动时刻等简略使命测验[4]。成果标明，年长的工作运动员的体现优于年长的久坐者，但接近于年青的久坐者。在他们之后，相继呈现经过人类行为学查询与试验得出相似的成果：运动对年长的个别认知功用有改进效果[5]。

那么运动究竟影响了哪个脑区呢？

这方面研讨比较多的是运动关于海马体的影响。坐落内侧颞叶的海马体因为其部位的曲折形状相似海马而得名。海马体掌控着回忆和空间定位等认知功用，对运动与脑健康感爱好的研讨者们的目光也便聚集于海马[6]。

图片来历:wikipedia

脑来历的神经养分因子(Brain-derived neurotrophin factor, BDNF)支撑了许多神经元的功用与存活，一起一些研讨标明，脑中BDNF的发作遭到神经活动的调控[7]，那么物理运动能否添加BDNF的发作呢？发作的BDNF是否改进了脑环境呢？

1995年， Neeper等研讨者让大鼠在夜晚进行跑轮试验，经过检测不同脑区BDNF 的mRNA表达水平，发现在海马体的锥体细胞中BDNF mRNA有显着的上调[8]。一起，研讨者们还发现，BDNF mRNA水平与每晚的跑动间隔有着强的正相关性。在检测运动组的12只大鼠中，有一只懒散的大鼠没有跑，毫不意外，它的BDNF mRNA水平与对照组适当。

那么BDNF是怎么改进脑环境的呢？

后续的一系列试验也发现了，BDNF对神经元的存活，神经发作，突触发作以及突触可塑性都发挥重要的功用[9]。可是运动引起哪个生化途径激活？从而诱导了BDNF的表达呢？2013年，Wrann等研讨者发现耐力运动在小鼠海马体内引起了ERRα，PGC-1α， FNDC5和BDNF等基因的表达[10]。FNDC5是一种运动引起的肌肉蛋白，也是鸢尾素（Irisin）的前体蛋白。研讨者发现，经过对小鼠静脉注射腺病毒，过表达或敲低FNDC5别离使BDNF的表达水平上调或下调。而BDNF处理过的原代海马神经元中FNDC5的表达却被按捺，这就提醒了一个FNDC5/BDNF反应回路。

海马中调控运动引起的Bdnf基因表达的生化途径[11]。赤色箭头的途径：运动以不知道通路添加了海马神经元中PGC-1α的表达，添加的PGC-1α一起引起其结合伴侣ERRα的表达，继而添加FNDC5的表达；FNDC5作为I型膜蛋白，其水解产品运动因子(Exercise factor, EF)被释放到胞外基质；运动因子EF或许与其受体结合，以自排泄或旁排泄形式激活一种未判定的信号级联，引起Bdnf的表达。绿色箭头途径：运动因子EF相同在肌肉中发作并循环至全身。蓝色箭头途径：在循环体系中的运动因子EF或许激活海马神经元中PGC-1α的表达，从而添加FNDC5的表达，构成EF扩大环路。

除了ERRα/PGC-1α FNDC5 BDNF 这条通路外，也有许多研讨发现标明：BDNF还潜在地激活了mTOR通路，而mTOR通路对树突棘生成，轴突再生和杰出传递起到重要效果[12]。最新的研讨也标明：体育锻炼经过激活mTOR通路改进了学习回忆[13]。

除了耐久运动以外，也有的研讨者重视短时刻剧烈运动对脑环境的影响，成果显现了短时程运动对突触功用的改进[14]。

运动，或许仍是“良药”

令科学家痴迷于运动改进脑健康机制的一个重要原因便是，假如可以发掘清楚其效果机制，那么运动对疾病脑环境的改进、对神经退行性疾病患者的防备、医治与缓解就值得更深化的探究，基于此的临床疗法也值得开发。

海马体作为脑内学习回忆等认知功用的主管，在阿尔兹海默症和抑郁症患者中，这个安排也是遭到严重影响的脑区之一。已然运动能改进正常小鼠中海马体神经元的生计环境，那么关于疾病脑环境是否有相同的效果呢？

2018年的《科学》杂志的一项研讨报导[15]，在AD转基因模型小鼠中，Choi等研讨者经过慢病毒过表达Wnt3或许药物诱导海马体的神经元再生，一起慢病毒过表达BDNF模仿运动的效果，发现小鼠的认知功用有显着的改进。

一起，2019年的《天然医学》杂志的一项研讨报导[16]，经过练习β-淀粉样低聚物注射过的小鼠（模仿AD病理的小鼠模型），使其周期性游水，发现与无运动练习组比较，日常游水练习的小鼠在惊骇条件反射的行为学检测中体现更佳，突触可塑性也有所进步。

虽然有如此多的试验室依据标明晰运动对脑环境的改进、突触功用的增强、认知行为的进步、神经退行性疾病的缓解都有极大的效果，但咱们也要客观的认识到这些研讨的局限性（小动物模型）和非普遍性（不同的行为学范式）。间隔疾病的防备与医治还要跨过一个又一个的根底到临床的“逝世谷“。

达观的看，在药物开发不断受挫、堕入苍茫的时期，简略廉价的运动不失为一种好的辅佐办法—不需求巨大上的健身房，不需求每天拼命打卡10公里，不需求强占朋友圈和微信运动Top5，踏踏实实的走上3000到9000步或许就够了[17]。

那么读完了本文的你，为何不放下手机，去运动一下呢？

参考文献：

[1] Pevsner J (2019) Leonardo da Vinci's studies of the brain. Lancet, 393(10179):1465–1472.

[2] vince, M. A. (1979). Effects of accelerating stimulation on different indices of development in Japanese quail embryos. Journal of Experimental Zoology, 208(2), 201–212.

[3] Sanes, D. H., Reh, T. A., & Harris, W. A. (2011). Development of the nervous system. Academic Press.

[4] Spirduso,W.W.,& Clifford,P. (1978). Replication of age and physical activityeffects on reaction time movement time. Journal of Gerontology,33,23-30.

[5] Colcombe, S., & Kramer, A. F. (2003). Fitness effects on the cognitive function of older adults: a meta-analytic study. Psychological science, 14(2), 125-130.

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Hippocampus

[7] Zafra, F., Castren, E., Thoenen, H., & Lindholm, D. (1991). Interplay between glutamate and gamma-aminobutyric acid transmitter systems in the physiological regulation of brain-derived neurotrophic factor and nerve growth factor synthesis in hippocampal neurons. Proceedings of the National Academy of Sciences, 88(22), 10037-10041.

[8] Neeper, S. A., Góauctemez-Pinilla, F., Choi, J., & Cotman, C. (1995). Exercise and brain neurotrophins. Nature, 373(6510), 109.

[9] Park, H., & Poo, M. M. (2013). Neurotrophin regulation of neural circuit development and function. Nature Reviews Neuroscience, 14(1), 7.

[10] Wrann, C. D., White, J. P., Salogiannnis, J., Laznik-Bogoslavski, D., Wu, J., Ma, D., ... & Spiegelman, B. M. (2013). Exercise induces hippocampal BDNF through a PGC-1α/FNDC5 pathway. Cell metabolism, 18(5), 649-659.

[11]Xu, B. (2013). BDNF (I) rising from exercise. Cell metabolism, 18(5), 612-614.

[12] Li, N., Lee, B., Liu, R. J., Banasr, M., Dwyer, J. M., Iwata, M., ... & Duman, R. S. (2010). mTOR-dependent synapse formation underlies the rapid antidepressant effects of NMDA antagonists. Science, 329(5994), 959-964.

[13] Chen, K., Zheng, Y., Wei, J. A., Ouyang, H., Huang, X., Zhang, F., ... & Zhang, L. (2019). Exercise training improves motor skill learning via selective activation of mTOR. Science advances, 5(7), eaaw1888.

[14] Chatzi, C., Zhang, Y., Hendricks, W. D., Chen, Y., Schnell, E., Goodman, R. H., & Westbrook, G. L. (2019). Exercise-induced enhancement of synaptic function triggered by the inverse BAR protein, Mtss1L. eLife, 8, e45920.

[15] Choi, S. H., Bylykbashi, E., Chatila, Z. K., Lee, S. W., Pulli, B., Clemenson, G. D., ... & Aronson, J. (2018). Combined adult neurogenesis and BDNF mimic exercise effects on cognition in an Alzheimer’s mouse model. Science, 361(6406), eaan8821.

[16] Lourenco, M. V., Frozza, R. L., de Freitas, G. B., Zhang, H., Kincheski, G. C., Ribeiro, F. C., ... & Berman, H. (2019). Exercise-linked FNDC5/irisin rescues synaptic plasticity and memory defects in Alzheimer’s models. Nature medicine, 25(1), 165.

[17] Rabin, J. S., Klein, H., Kirn, D. R., Schultz, A. P., Yang, H. S., Hampton, O., & Pruzin, J. Associations of Physical Activity and β-Amyloid With Longitudinal Cognition and Neurodegeneration in Clinically Normal Older Adults. JAMA Neurology.

Del Maestro, R. F. (1998). Leonardo da Vinci: the search for the soul. Journal of neurosurgery, 89(5), 874-887.