大脑怎么变，智力就怎么变
对大脑运作机制做一次简单轻松的检阅之后，现在我们回过头来再仔细分析一遍。倘若就连每日制订计划或者看电视这样的简单活动都要调动大量脑资源的话，那你能想象医师或工程师的专业技术、数学家或棋手的聪明才智以及小提琴手或舞蹈家的非凡创造背后又隐藏着怎样的大脑机制吗？认知神经科学家已经开始研究这些问题，而且不再撇开大脑谈智力或撇开智力谈大脑了。
作为本书的读者，你也许不是脑科学家，但你要用脑，可以说是脑力消耗者。不过你可能对大脑的内部运作机制不是特别感兴趣。这是一种奇怪的现象，大脑与身体的各个部位都有关系，不仅仅是大脑本身。讽刺的是，大多数人通常并不关心自己的身体，只要它不找麻烦，不痛、不伤、不痒、没毛病，让我们感觉良好。如果约翰尼吃了腐坏的牡蛎而感染甲肝，那么他去看医生并不是因为转氨酶水平和病毒滴度升高，而是因为他感觉疲劳、恶心，以及他的面色和眼球泛黄，这在约会时可不会获得高度评价。[最新电子书免费分享社群，群主V信 1107308023 添加备注电子书]
尽管约翰尼并不特别想了解身体的内部运作，但他仍能接受这个大前提：遑论其他，目前他的身体状况取决于肝脏好坏，要想身体再次好转、恢复正常肤色，他必须对肝脏进行治疗。但当涉及心脑问题时，公众就意识不到其中的紧要性了。公众才开始相信大脑受损会影响智力。
如果反向推演呢？我们能通过改善大脑的功能来提高智力水平吗？如果答案是肯定的，那么约翰尼应该开始学习如何照料他的大脑，正如过去几十年里他信奉健康生活的观念一样（尽管他仍然生吃牡蛎）。在这本书里，我认为老龄化过程中大脑的变化在很大程度上取决于年轻时如何使用它。我还认为，即使在老龄阶段，你也有可能通过改善大脑来提高智力。我会探讨在日常生活中如何实现这一点以及怎样做才能更加系统和完善。
然而，首先我们需要理解大脑在整个生命周期的运作过程。“智力的四季”或“大脑的四季”无疑是一种比喻，但并非牵强的比喻。在人的一生中，大脑和智力会经历不同阶段。与自然界里的四季一样，智力的四季变换并不界限分明，而是逐渐向下一个季节过渡。因此，将这些界限与精确的时间表联系起来，与其说是生物学意义上的中断，不如说是一种约定俗成的惯例。正如季节的变化可能年年不同（夏季可能早到，春季可能迟来），“智力的四季”的确切转换时间也会因人而异。更复杂的是，智力和大脑并非在所有方面都会实现同步转换。这意味着你划分的精确界限在很大程度上取决于你选择的标准。与一年有四个季节不同，我们通常将大脑的生命周期分为三个阶段：发育、成熟和老化。
发育阶段的大脑
发育是第一阶段。主要的认知能力和技能在此阶段形成，其特征是大脑发生的巨大改变。该阶段在我们出生之前就已开始，一直持续至30岁左右。大脑发育是一个复杂多样的过程。它开始于神经发生，也就是神经元的生成——神经元是直接参与信息处理的最多的脑细胞——及其迁移，也就是神经元在复杂的大脑构造中找到合适的位置。大多数情况下，神经发生开始于妊娠期间。对于不同的大脑结构而言，神经发生开始的时间也不同。直到最近，人们还认为神经发生过程会在妊娠期和生命最初几年里的某一时刻完全停止，那时，大多数脑结构已经形成了可辨认的形状。然而现在我们知道，神经发生贯穿于人的一生，虽然它后期不如早期那么活跃。
随着神经元生成并迁移至合适的位置，神经元之间的连接开始发育。这些连接是在神经元细胞体延伸部分形成的突起物，被称为轴突和树突。它们在妊娠期间开始发育，其中树突开始生长成树状分支。这一过程在生命的最初几年里达到高峰。
突触，即从不同神经元延伸出的树突和轴突之间的微小交界面，对神经元之间的交流至关重要。它们的形成叫作突触发生，对于不同的大脑部位而言，突触发生的时间进程也大为不同。比如在视觉皮质上，大部分的突触发生会在生命最初几年的末期完成。相比之下，前额皮质的突触发生会在青春晚期和成年早期持续。
神经结构的形成还伴随着多余神经元、树突和突触的消亡。这一过程被称为“修剪”或“凋亡”，发生于生命诞生之后，对于不同的大脑部位而言，“凋亡”发生的时间不同，额叶皮质位列最后。“修剪”类似雕刻，伟大的雕刻家奥古斯特·罗丹（Auguste Rodin）将这一过程描述为“消除一切不该存在的东西”。“修剪”不是随机的，而是加强经常使用的神经结构，放弃未被充分使用或未被使用的神经结构。这些塑造大脑的竞争过程本身有点类似自然选择，杰拉尔德·埃德尔曼（Gerald Edelman）首创的“神经达尔文主义”表达的就是这个意思。
在大脑里发现的细胞类型并非只有神经元一种。事实上，神经元只占脑细胞的1/3。另外2/3脑细胞被称作胶质细胞，它们担当不同的支持功能，可以分成两种：星形胶质细胞和少突胶质细胞。当大脑发育到一定程度时，髓鞘开始形成了：少突胶质细胞开始包裹长轴突，形成一层叫作“髓磷脂”的脂肪保护层。髓磷脂是白色的，由此产生了“白质”（由所有覆盖着髓磷脂的长神经束组成），与之相反的是“灰质”（由所有神经元和没有髓磷脂覆盖的短神经束组成）。髓磷脂帮助信号沿着轴突传递，大大提高了神经元集合体内部的信息传递速度。生命最初几年里，大脑重量的急剧增加很大程度上是由于髓鞘的形成。髓磷脂包裹住连接大脑结构的轴突，大脑的功能才算完整。在不同的大脑结构中，髓鞘形成的时间也大不相同。也许你已经猜到了，额叶皮质髓鞘形成的过程最长，可以持续至青年晚期和成年早期，可能会一直持续至30岁。额叶，尤其是前额皮质的体积至少要持续增长至18岁，也许还会更长。这种增长是白质不断增加的体现。
撇开其他不谈，上述简短的回顾表明大脑的发育是无数神经过程在不同时间尺度上的相互作用。这是一个大脑巨变的阶段，也是一个智力巨变的阶段——学习、积累基本的思考技能与知识，最终成为我们自己。
你可能已经注意到了，额叶，尤其是前额皮质，最后一个发育成熟——直到成年早期，有时是将近20岁，甚至还可能是二三十岁。现代社会基于社会年龄成熟度设定了一些隐性或显性的假设。当我们达到社会成熟年龄时，会表现出认知和人格特征，比如控制冲动、预见未来和自我评估的能力。和额叶发育成熟一样，这些“成年”特征直到20岁末和30岁初的某个时刻才能充分发挥作用。不出所料，几乎所有现代社会都将这一年龄作为社会不成熟和社会成熟的分界线。此时（会有上下几年的浮动），你已经准备好面对“成年人”的权利和义务，比如驾驶、投票、结婚、饮酒、服兵役，最终在法律上被视为一名成年人而不是未成年人。但多数人不知道的是，这些“成年”特征的出现极有可能是额叶成熟引起的，已经有越来越多的神经学家认可这一点。因此，许多神经学家认为，额叶成熟可以作为大脑生命周期的第一阶段和第二阶段，亦即发育和成熟的分界线。
成熟阶段的大脑
成熟是第二阶段，此时大脑结构的神经变化减少，更加趋于稳定。这是一个生产性活动阶段，大脑的重点渐渐从了解世界转变成通过个体的专业和职业活动塑造世界。人们对大脑和智力的这一发展阶段进行了最广泛的研究。事实上，直到几十年前，我们的认识还局限于这一阶段。各种神经解剖学、神经学和神经心理学的标准文本以及许多科普读物大多是关于这一阶段的，因此我们没有理由再在这里重述这些规范性知识。我想说的是，在这种科普热情里，我们不仅是将成熟大脑当成一个普通概念。这无疑是一种有用的进取精神，也是进行任何科学探索该有的出发点，但还不够。阅读标准文本时，你几乎不可能看到对大脑组织性别差异的描述，更别说个体差异了。可这种差异确实存在，我们直到现在才开始了解它们。组成人类的每一个人，我们正逐渐去了解个体的神经系统。[最新电子书免费分享社群，群主V信 1107308023 添加备注电子书]
老化阶段的大脑
老化是第三阶段。随着年龄渐长，我们伟大的大脑会变成什么样？“黄金年龄”有多珍贵？奇怪的是，直到最近，科学家才致力于解决这个问题。希波克拉底在《箴言集》（Aphorisms ）里对衰老所发的慨叹忽略了大脑。关于这一点，顶尖的老化神经科学家纳夫塔利·拉兹（Naftali Raz）说：
由于势不可当的衰老转变以及普遍存在的身体基本功能变化，很多著名的古代医生没有充分发现大脑和高级认知功能对老年病的重要意义，这可能并不特别令人惊讶。
但衰老会影响大脑，即使正常的衰老也一样。大脑不受影响才怪，毕竟它和其他器官一样，都是肉体的一部分。过去几十年里，人们进行了广泛的研究来理解这种变化。于是，我们现在对大脑老化过程有了相对全面的认识，即便老化过程中并不存在神经疾病和痴呆症的威胁。下文大部分内容基于纳夫塔利·拉兹的研究，以及他对脑老化研究发表的令人信服的评论。
随着衰老，整个大脑会产生一些改变。每隔10年，成年人大脑的重量和体积就会缩减大约2%，而脑室（大脑深处含有脑脊液的腔体）会变大，脑沟（皮质层核桃状卷积之间的空隙）变得更加突出。这些变化表明脑组织一定程度上出现了萎缩，这是正常衰老的一部分。神经元之间的连接越发稀疏（该过程被称为“去分支”），突触（神经元之间传递化学信号的结构）的密度也是如此。输送到大脑的血液变少，氧气供应也随之减少。
灰质和白质都会受到老龄化的影响。白质会出现微弱的病灶，它们在MRI放射学术语中被称作“高信号”。大多数情况下，增龄性“高信号”表示血管疾病，但也可能表示神经束的髓鞘脱失。它们会随着年龄的增加而累积。白质病灶与认知水平降低之间不是简单的线性关系，而是有一个阈值。它们在一定程度上是良性的，但一旦总量达到某个水平，认知就会出现恶化。一些科学家认为，白质比灰质更容易受到衰老的影响。
在这样的大背景下，大脑某些部位的表现要好得多。虽然很多皮质结构和皮质下结构也会受到影响，但程度各不相同。新皮质似乎遵循约翰·休林·杰克逊（John Hughlings Jackson）首先提出的“进化和消亡”这一经典神经学法则：系统发育中（进化中）最年轻的皮质分区（它们在之后的阶段才会发育“进化”），也就是多模态联合皮质最容易因为老化而受到“消亡”的影响。它们包括颞下皮质、顶下小叶以及最新发育完成的前额皮质。相反，较早发生的皮质分支，包括接收原始感官信息的区域和运动皮质，受到的影响最小。前额皮质，额叶的一个负责复杂规划以及复杂行为有序管理的分支，受到的影响最大。
个体的发育和衰退（贯穿于人的一生）存在着类似的关系：人体发育阶段仍在持续发育的大脑结构最先随着年龄增长而衰退。在评估不同大脑结构的相对易损性时，连接这些结构的神经束具有特殊的启示意义。因此，神经束髓鞘的形成时间对发育和衰退来说都是一种有价值的参考。神经束髓鞘形成的时间越长，其对应结构越容易受到衰老的影响。受影响最大的仍旧是前额皮质，尤其是它的背外侧区。额叶的改变包括灰质和白质的退化，以及主要神经递质（负责在神经元之间传递信号的化学物质）的损耗，这些神经递质包括多巴胺、去甲肾上腺素和血清素。与发育时的情况一样，额叶也是大脑第二阶段和第三阶段（即脑成熟和脑老化）的分界线。
新皮质外侧，海马体和杏仁体受老化的影响有限，完全不能和额叶相提并论。海马体处于左右半脑的颞叶内侧，对新记忆的形成至关重要。杏仁体（amygdala，希腊语，意思是“杏仁”，指其形状与杏仁相似）处于海马体的正前方，对情感的体验和表达意义重大。
有趣的是，其他哺乳动物的海马体并不受衰老的影响，比如猴子和啮齿动物。这可能只是偶然形成的差异，但也可能是进化的压力使人类拥有了一个海马体轻微衰退的大脑。对于我们当中那些极其相信进化的适应性（但需谨慎，不要完全陷入目的论的思维框架）的人来说，这种进化压力的本质是什么呢？它很可能和人类比其他物种更依赖预先获得的认知模式有关。因此，和老化的猴子大脑或啮齿动物的大脑不同，老化的人类大脑能够从抑制多余新信息的形成中受益，因为它们会扰乱这些模式。
图5 受衰老影响的大脑区域
图中颜色越深的大脑结构越容易受到正常衰老的影响。
另一个有趣的发现是：在正常衰老和痴呆的情况下，各种大脑结构的相对易损性也不一样。不同于正常衰老，在患有阿尔茨海默病的大脑中，海马体以及颞叶、顶叶的后侧多模态新皮质比额叶恶化得更快。因此，倘若大脑中额叶和海马体的恶化程度在MRI上呈现出明显不同，我们就能判断出大脑要么正常经历衰老过程，要么出现了阿尔茨海默病的早期征兆。
各种皮质下结构同样遵循杰克逊的“进化和消亡”原则。基底神经节和小脑（两者对运动控制都很重要）受到影响的程度中等，中脑也一样。脑桥（负责基本唤醒的脑区）和顶盖（大脑里第一个感觉输入处理站）似乎受影响很小，或者是根本不受影响。
这些大脑结构的深刻变化如何反映在大脑功能和认知的改变上呢？科学家又进行了无数研究，煞费苦心地记录了正常衰老过程中智力方面的不良变化。看起来智力的整体运转速度似乎降低了，感觉功能（接收外部物理世界输入的能力）也是如此。依靠额叶所发挥的功能显得尤其不稳定，其中包括精神抑制，即在不同情况下控制注意力不集中或习惯性条件反射的能力；还包括“工作记忆”，大多数科学家用该术语泛指记住某种信息并进行与此相关的认知处理。额叶的另一个功能——思维灵活性（快速转换思维过程和思维模式的能力）也会随着年龄增长而下降。
某些形式的注意力也会受到破坏，特别是选择注意力（在环境中挑选突出事件并予以关注的能力）和分散注意力（在同时发生的若干事件中来回转移注意力的能力）。记忆力也不能幸免，尤其是学习新信息（语义记忆）和对具体事件形成记忆（情景记忆）的能力。事实上，学习新信息能力的下降是认知老化最早的临床表现。
不老大脑的奥秘
科学家通过对实验对象进行各种神经心理学测试以及比较各年龄组的表现，记录下许多可怕的不良的认知改变。显然，认知灾难等于脑部形态和脑部生化失衡。所有这些听起来似乎都糟透了。
然而，进一步了解认知老化以后，你就会发现情况没那么糟。众多科学家都注意到一种奇怪的现象。虽然有充分的证据证明神经功能及认知下降，但老年人在现实中的表现却非同寻常，不管是在日常生活中还是工作中，这通常包括极高水平的专业能力和管理能力，甚至是在艺术、科学和政治领域的世界级壮举。
科学家通常将这种神秘能力称作“认知专长”，但多年来都没有弄清它的形成机制。本书的焦点之一就是对这些机制加以研究。直面坏消息过后，现在该想想衰老有什么好处了！这种神秘的认知专长，也就是抵挡衰老的不良影响的能力，与成熟期的两个非常宝贵的特质有关：能力和智慧。
这似乎是一个悖论。但既然认知专长、能力和智慧不是一种与大脑无关的现象，不像圣人的光环一样悬在我们的头顶上方，而是大脑的产物，这一悖论就成了神经生物学的研究对象，成了神经学家要解决的问题。我们会在接下来的章节讨论智慧和能力，然后进一步探索它们的神经机制。但首先，我们要考虑这一悖论本身，了解受老化和神经侵蚀影响的大脑如何形成非常具有说服力的认知。为此，我们会研究几位在不同领域取得巨大成就的历史名人的生活。