乐器与运动练习对大脑的影响

在练习乐器或进行体育锻炼时，我们可以逐渐掌握与乐器演奏或体育运动相对应的熟练动作。为了执行这些熟练的动作，我们身体中负责移动手和脚的骨骼、肌肉与大脑皮质中的运动区连接起来。运动区是大脑皮质中负责执行运动的一个部分，会产生在大脑皮质内经过信息处理后的用于运动的信号。无论是在胚胎发育时期还是在个体成长过程中，运动区中都留下了与运动相关的信息处理的痕迹。简单来说，运动区就像一个从大脑发出运动指令的出口，这些指令经过信息处理，使我们能够进行各种运动。在我们开始追踪长时间运动和学习引起的大脑变化之前，我们先来了解一些运动区的基本知识。图1-3展示了运动区的身体部位定位。身体部位定位是指当我们对运动区进行微弱电刺激时，会触发不同身体部位的肌肉收缩，从而在运动区内呈现出一个身体部位排列的“小人”（homunculus）图像。值得注意的是，图中再现的不是实际肌肉的数量和对应的面积，而是能够灵巧控制的肌肉在大脑皮质上的广泛再现。换句话说，人类的运动特征在大脑皮质中留下了痕迹。手指的肌肉（尤其是拇指、食指、小指）、舌肌、外眼肌（上直肌、下直肌、内直肌、外直肌、上斜肌、下斜肌）和咀嚼肌都在大脑皮质上得到了广泛的再现。图中虽然有眼球的描绘，但眼球是视觉器官，不属于骨骼或肌肉，所以用眼球象征性地表示可以随意移动的外眼肌。人类手指的灵活性是众所周知的，尤其是拇指、食指和小指在抓握和操作物品时发挥了重要作用。外眼肌可以控制微小的眼球运动（例如，阅读），也可以迅速改变注视点。舌肌负责精细的发音运动。此外，舌肌和咀嚼肌协同工作，使咀嚼和吞咽变得更加顺畅。相反，与实际肌肉量成反比的臀大肌在大脑皮质上的再现很小。这是因为臀大肌主要是伸展髋关节的肌肉，主要用于维持直立姿势，不执行复杂的功能。此外，接收皮肤、骨骼、肌肉和关节的感觉器输入的躯体感觉的感觉区比运动区更广泛，但同样显示出与运动区几乎相同的身体部位定位。

图1-3 控制不同身体部位的大脑初级运动皮质区域³

基于这些发现，产生了一些民间传说，如“经常用手指头会变聪明”“经常咀嚼硬物会变聪明”“经常运用手部不会老化”等。很可能，它们在大体上并没有错。换句话说，当广泛再现在皮质中的骨骼肌得到充分使用时，广泛的皮质区域将被激活，这将促进该区域的发展并延缓老化。

这些传说正在通过人类的脑影像和动物实验得到证实。感知-运动技能学习导致大脑皮质中的躯体感觉区和运动区中与身体各部位的皮肤和骨骼肌相关的再现区发生明显变化，即使在成年后也是如此。例如，熟练演奏乐器的音乐家的听觉区比从未演奏过该乐器的人扩大了约25%。⁴这种听觉区的扩大与开始练习乐器的年龄相关，并且听觉区的重新组织与其使用程度成比例。此外，音乐家的大脑变化不仅限于处理声音的区域，还涉及控制运动和触觉信息处理的脑区，这些脑区的变化与使用频率相关。专业键盘演奏者的运动区、听觉区和视觉区的灰质体积较业余演奏者或不涉足音乐的人要大，这种变化的程度也与作为音乐家的职业生涯的长度相关。此外，练习钢琴会改变神经元轴突通过的白质，这种效应会根据练习期的长短而异。这种变化在脑的纤维束中表现出来，这些纤维从脑的胼胝体前部、感觉区和运动区延伸出来，尤其是在七岁之前开始练习的专业钢琴师最为显著。胼胝体是连接左右脑的巨大纤维束（交叉纤维），对于协调双手和双腿运动非常有用。键盘乐器和弦乐器的演奏需要双手进行序列动作（不同动作之间的连续动作）的练习，这会导致半球间的补充运动区长时间相互作用，从而使负责系列动作的补充运动区相互影响，胼胝体前部的交叉纤维通过通道扩大。

此外，专业的小提琴手为了提升手指的灵活性，必须对躯体感觉区中对应于手指的部分进行大规模的重构。与不涉足小提琴的人相比，小提琴手的躯体感觉区中与左手手指对应的部分更广，而这种差异在幼年时期开始练习的人身上更为显著。然而，弦乐器演奏者右手握弓的部位对应的皮质部分并未发生变化。同样，空手道有段者的运动区和小脑白质比初学者或不会空手道的人更大，这表明空手道有段者的运动协调的神经元轴突发育得更好。⁵

这些发现是通过比较熟练者和初学者的横断面研究获得的，而纵向研究则较少。在生长和发育研究中，同时比较不同年龄个体或群体的研究称为横断面研究。此外，追踪同一人或群体经年的研究称为纵向研究。相对于横断面研究，纵向研究需要更多的时间和努力。例如，调查某小学不同年级的身高情况是横断面研究，而追踪从2010年入学的小学生的身高变化直至毕业则是纵向研究。

研究者对抛接球游戏的练习进行了长时间的追踪，观察了实验对象灰质和白质的密度变化。⁶实验对象包括24名平均年龄为22岁的健康成年参与者，所有参与者在练习期间都能持续超过60秒不让三个抛接球掉落。在练习前后通过磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）对大脑组织变化的测量，结果显示与运动相关的皮质部位没有变化，而感知物体移动的视觉区却扩大了。这表明与控制手的运动相比，感知三个抛接球的上下移动对于玩抛接球游戏最为重要。

此外，开始练习三个月后再次进行磁共振成像，发现尽管与练习前相比，脑部区域仍然呈现扩展趋势，但与练习后不久相比，这些区域却呈现缩小的趋势。这种通过练习引起的大脑结构性变化可能受多种因素的影响，其中神经元细胞体的大小及其突起粗细的变化是已经被发现的要素。

与此同时，动物方面的纵向研究较为充实。例如，在猴子练习需要微妙的手指控制的运动任务三个月后，研究者发现猴子的手指皮质再现区的扩展达到了练习前的数倍，并且这种变化不仅仅是覆盖原有区域，还推动了邻近区域的改变。这种变化最短持续了11天。同样，成长中的猴子在练习使用手指和手腕的运动时，其手指、手掌和手腕的皮质再现区扩大了，前臂的再现区则有所缩小。而在进行需要前臂内旋运动和外旋运动的锁匙转动练习后，猴子的前臂皮质再现区扩大，而手指再现区则缩小了。³

总之，通过与最近相关的感觉经验和运动学习，人们可以明确地改变躯体感觉区和运动区中身体各部分的皮肤和骨骼肌的再现图。此外，这种变化在个体的一生中也会持续表现出来。虽然动物实验中的实验对象要经历漫长的特训，但在人类的日常生活中，相同动作的重复是常见的现象。这种可塑性被称为使用依赖性变化，强调其依赖于行为的频繁性。