真正让一名伟大的运动员脱颖而出的特质，不仅仅在于肌肉和肺部，更在于他们的大脑。这是因为运动员需要在极短的时间内做出复杂的决策。2001年，扬基队在一场与奥克兰运动家队的美国联盟季后赛中，上演了一场精彩的“运动型大脑”高速运转的绝佳范例。游击手德里克·基特尔（Derek Jeter）接到一个来自右外野手的失误传球，然后轻轻地将球抛给捕手豪尔赫·波萨达（Jorge Posada），后者成功触杀回垒跑者。基特尔的快速决策为扬基队挽救了比赛，也挽救了整个系列赛。为了完成这个精彩的配合，基特尔必须熟练掌握意识决策（比如是否要拦截这次传球）和无意识决策。这些都是他在每场比赛的每一秒都必须做出的本能反应：脚应该踩多大的力量，出手投球时手腕要旋转多快，等等。
近年来，神经科学家们开始对普通大脑和伟大运动员的大脑进行有趣的区别性分类。通过了解运动员大脑的运作机制，研究人员希望能够更深入地理解所有大脑的运作方式——无论是体育传奇人物还是沙发土豆的大脑。
正如基特尔的例子所表明的那样，运动员的行动远不止是一系列自动反应；它们是一个动态战略的一部分，旨在应对不断变化的复杂挑战。即使是看似简单的手枪射击运动，也出奇地复杂。射击运动员只需瞄准并扣动扳机，但每一次射击都需要许多快速的决策，比如肘部弯曲的角度，肩膀肌肉收缩的力度。由于射击者无法完美控制自己的身体，手臂某一部分的轻微晃动可能需要其他部分的多次快速调整。每一次举枪，他都必须重新计算为了准确射击所需的动作，将过去的经验与当下所经历的任何变化结合起来。
为了解释大脑如何做出这些即时决策，约翰霍普金斯大学的Reza Shadmehr和哥伦比亚大学的John Krakauer两年前回顾了对健康人群和有运动控制障碍的脑损伤患者进行大脑扫描的研究。他们发现，大脑的多个区域会协同工作，为精细的运动动作进行必要的计算。大脑首先设定一个目标——比如，“拿起叉子”或“发网球”，然后计算出达到目标的最优行动方案。当大脑开始发出指令时，它也会开始预测身体在实现目标时应该会产生什么样的感觉。如果预测的感觉与实际感觉不符，大脑就会修正其计划以减少误差。Shadmehr和Krakauer的研究表明，大脑不仅仅是发出僵化的指令；它还会不断更新如何移动身体的解决方案。运动员之所以可能比我们做得更好，是因为他们的大脑能够找到比我们更好的解决方案。
为了理解运动员是如何得出这些更好解决方案的，其他神经科学家也进行了一些实验，让运动员和非运动员执行相同的任务。今年一月，罗马萨皮恩扎大学的Claudio Del Percio及其同事报道了一项研究结果，他们测量了空手道冠军和普通人在静止、闭眼状态下的脑电波，并进行了比较。结果发现，运动员发出的α波更强，这表明他们处于一种休息状态。这一发现表明，运动员的大脑就像一辆处于空挡的赛车，随时准备启动。
Del Percio的团队还测量了运动员和非运动员在运动状态下的脑电波。在一项实验中，研究人员观察了手枪射击运动员进行了120次射击。在另一项实验中，Del Percio让击剑运动员单脚站立。在这两种情况下，科学家们都得到了相同的令人惊讶的结果：运动员的大脑更“安静”，这意味着他们对这些运动任务投入的脑力活动比非运动员少。Del Percio认为，这是因为运动员的大脑更有效率，因此他们只需用更少的神经元就能产生期望的结果。Del Percio的研究表明，大脑越有效率，在运动项目中的表现就越好。科学家们还发现，当射击运动员击中目标时，他们的大脑比未击中目标时更“安静”。
优良的基因可能在一定程度上解释了能力的差异，但即使是最具天赋的神童，显然也需要大量的练习来培养出运动员的大脑。一旦有人开始练习一项新运动，他们的大脑就会开始发生变化，并且这些变化会持续多年。德国雷根斯堡大学的科学家们通过扫描学习杂耍的人们，记录了这一过程。一周后，杂耍者的某些大脑区域已经产生了额外的灰质。科学家们发现，他们的大脑在接下来的几个月里持续发生变化。
练习在改变大脑结构的同时，也帮助大脑的不同区域相互沟通。一些神经元会加强与其他神经元的连接，而减弱与其他神经元的连接。起初，大脑前部（前额叶皮层）的神经元非常活跃。该区域对于自上而下的控制至关重要，它使我们能够专注于一项任务并考虑多种反应。随着练习的深入，前额叶皮层变得安静。我们的预测变得更快、更准确，因此我们不再需要如此仔细地关注如何做出反应。
几年前，北科罗拉多大学的Matthew Smith和Craig Chamberlain检验了前额叶皮层安静化与运动能力之间的联系。他们让经验丰富的和不熟练的足球运动员带球穿过锥筒组成的障碍赛。与此同时，让这些球员盯着墙上的投影屏幕，以便看到特定形状出现。即使有第二项任务，经验丰富的足球运动员也能几乎全速带球。然而，不熟练的球员的表现比不分心时差了很多。这种差距表明，带球这项任务并没有让经验丰富的球员的前额叶皮层负担过重，从而让他们有精力处理其他挑战。
随着运动员大脑变得越来越有效率，他们学会了更快地理解新情况。例如，在板球运动中，投球手可以以每小时100英里的速度投球，给击球手只有半秒钟的时间来判断球的轨迹。2006年，当时的澳大利亚昆士兰大学的Sean Müller及其同事进行了一项实验，以了解板球击球手预测投球手投球的能力。他们选择了三类板球运动员作为研究对象，技能水平从国家冠军到大学球员不等。这些板球运动员观看了投球手投球的视频。每个视频播放结束后，他们必须预测即将到来的球种和落点。在某些情况下，视频会在投球手释放球的那一刻停止。在其他情况下，球员只能看到投球手在球还在手中时迈出的第一步，或者前两步。
精英板球运动员在预测球赛结果方面比技能较低的球员做得好得多。他们可以在观看投球手迈出第一步后做出相当准确的预测，如果他们能看到球被投出直到释放的那一刻，他们的准确性会大幅提高。技能较低的球员表现要差得多。他们早期的猜测 no better than chance，只有当他们能够一直看到球离开投球手的手并在空中飞行时，他们的预测才会有所改善。
预测任务的结果似乎涉及运动员在练习中开发的相同大脑区域，这或许可以解释为什么运动员在这些挑战中表现得更好。在一项相关研究中，萨皮恩扎大学的Salvatore Aglioti组织了一组人，其中一些是职业篮球运动员，在他们观看其他球员罚球的电影时扫描了他们的大脑。其中一些电影在球离开球员的手之前就停止了；另一些则在球释放后不久停止。然后，受试者必须预测球是否进了篮筐。该组中的职业球员在其控制手部和手臂肌肉的大脑区域显示出大量的活动，而在非运动员中，这些区域相对安静。看来，篮球运动员在脑海中默默地重演罚球，利用他们的专业知识来猜测电影中的球员会如何表现。
这些研究开始回答什么使一些人成为伟大的运动员的问题：他们只是能够根据某些规则重塑他们的大脑。随着神经科学家们破译这些规则，他们可能会找到提升人们技能的方法。2009年2月，Krakauer和约翰霍普金斯的Pablo Celnik提供了一个这些干预措施可能是什么样的预览。科学家们让志愿者通过拇指和食指之间的力传感器设备，在一块屏幕上水平移动光标。受试者挤压得越用力，光标移动得越快。每个参与者被要求在目标之间来回移动光标，尝试以最快的速度完成路线，同时避免 overshoot。该组每天训练45分钟，持续五天。到训练结束时，参与者犯的错误要少得多。
科学家们还用一种略有不同的方式训练了另一组人进行相同的游戏。他们将一个电池放在每个受试者的头顶，通过大脑表面向初级运动皮层的一组神经元发送微弱电流。电刺激使人们能够更好地学习游戏。在五天训练结束时，接受电池刺激的玩家能够比对照组更快地移动光标，并且犯的错误更少。而且这种优势并非短暂的。在接下来的三个月里，Krakauer和Celnik让他们的受试者不时回到实验室，展示他们的游戏技能。随着时间的推移，每个人都会变得有些生疏，但在一段时间结束时，那些接受了电极增强的人仍然比其他人表现更好。
Krakauer和Celnik的研究暗示着一项全新的、可能摆在体育界面前的伦理问题。网球运动员在练习发球时佩戴便携式电极算不算作弊？毕竟，这只会加速与普通练习相同的变化。如今体育界的兴奋剂争议主要集中在肌肉上。但明天，我们可能需要决定运动员在多大程度上可以利用神经科学。
