一位伟大的运动员与众不同之处，不仅在于肌肉和肺活量，还在于他们的大脑。这是因为运动员需要在瞬间做出复杂的决定。2001年，洋基队在与奥克兰运动家队的一场美国联盟季后赛中，上演了精彩的运动大脑高速运转的绝佳范例。游击手德里克·杰特（Derek Jeter）接住了来自右外野手的失误传球，然后轻轻地将球传给了捕手豪尔赫·波萨达（Jorge Posada），后者触杀了回垒跑者。杰特的果断决策为洋基队赢得了比赛，甚至赢得了系列赛。为了完成这一动作，杰特必须掌握有意识的决定，例如是否要拦截传球，以及无意识的决定。这些是他必须在比赛中的每一秒都做出的不假思索的思考：一只脚要承受多少重量，释放球时手腕要旋转多快，等等。
近年来，神经科学家们已经开始对普通人的大脑和优秀运动员的大脑之间的一些有趣的差异进行分类。通过了解运动员大脑的运作方式，研究人员希望能够更深入地了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。
正如杰特的例子所示，运动员的行动不仅仅是一系列自动反应；它们是一个动态策略的一部分，以应对不断变化的复杂挑战。即使是看似直接的射击运动也出奇地复杂。射击运动员只需举枪射击，但每一次射击都需要做出许多快速的决定，例如肘部弯曲多少以及肩部肌肉收缩多紧。由于射击运动员无法完全控制自己的身体，手臂某一部分的轻微颤动可能需要手臂其他部位进行多次快速调整。每次他举起枪时，他都必须对完成一次精确射击所需的动作进行新的计算，将过去的经验与当下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， Reza Shadmehr 和 John Krakauer（当时都在哥伦比亚大学）回顾了对健康人群和患有运动控制障碍的大脑损伤患者大脑进行扫描的研究。他们发现，大脑的几个区域协同工作，进行详细运动动作所需的计算。大脑首先设定一个目标——比如拿起叉子，或者发网球——然后计算出达到该目标的最佳行动方案。当大脑开始发出指令时，它也开始预测如果身体实现了目标，应该会返回什么样的感觉。如果这些预测与实际感觉不符，大脑就会修改其计划以减少错误。Shadmehr 和 Krakauer 的研究表明，大脑不仅仅是发出僵化的命令；它还在不断更新如何移动身体问题的解决方案。运动员之所以比我们其他人表现得更好，可能是因为他们的大脑能够找到比我们更好的解决方案。
为了理解运动员如何得出这些更好的解决方案，其他神经科学家进行了一些实验，让运动员和非运动员完成相同的任务。最近，罗马萨皮恩扎大学的 Claudio Del Percio 和他的同事们报告了一项研究结果，他们测量了空手道冠军和普通人在休息时闭着眼睛时的脑电波，并进行了比较。结果发现，运动员发出的 alpha 波更强，这表明他们处于休息状态。这一发现表明，运动员的大脑就像一辆处于空挡的赛车，随时准备出发。
Del Percio 的团队还测量了运动员和非运动员活动时的脑电波。在一项实验中，研究人员观察了射击运动员射击 120 次。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，科学家们都得出了相同的令人惊讶的结果：运动员的大脑更安静，这意味着他们用于这些运动任务的大脑活动比非运动员少。Del Percio 认为，原因是运动员的大脑更有效率，所以他们只需用更少的神经元就能产生预期的结果。Del Percio 的研究表明，大脑越有效率，在体育运动中的表现就越好。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。
优秀的基因可能占能力差异的一部分，但即使是最有天赋的神童，显然也需要大量的练习来发展出运动员的大脑。一旦有人开始练习一项新运动，他们的大脑就开始改变，并且这种变化会持续数年。德国雷根斯堡大学的科学家们通过扫描正在学习杂耍的人们来记录这一过程。一周后，杂耍者的大脑在某些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。比较空手道冠军和普通人的脑电波表明，运动员的大脑就像一辆处于空挡的赛车，随时准备出发。
练习改变大脑的解剖结构，同时也帮助大脑的不同区域相互交流。一些神经元会加强与其他神经元的连接，而削弱与其他神经元的连接。最初，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，使我们能够专注于任务并考虑一系列的反应。随着练习的进行，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细致的监督来决定如何做出反应。
处理与预测
几年前，Matthew Smith 和 Craig Chamberlain（当时都在北科罗拉多大学）研究了皮层活动减弱与运动能力之间的联系。他们让熟练和不熟练的足球运动员在一个障碍赛道上带球。同时，他们要求球员留意墙上的投影屏幕，以便看到特定形状出现的时间。即使在执行第二个任务的情况下，经验丰富的足球运动员也能以接近全速带球。然而，不熟练的球员表现比不分心时差了很多。这种差异表明，带球并没有对熟练球员的前额叶皮层造成太大负担，从而使其能够自由应对其他挑战。
随着运动员大脑变得越来越高效，他们学会了更快地理解新情况。例如，在板球比赛中，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，Sean Müller（当时在澳大利亚昆士兰大学）及其同事进行了一项实验，以了解板球击球手在多大程度上能够预测投球手的投球。他们选择的三种类型的板球运动员，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。每段视频播放完毕后，他们必须预测即将到来的是哪种投球以及球会落到哪里。在某些情况下，视频在投球手释放球的那一刻就被切断了。在其他情况下，球员只能看到投球手在球仍在手中时迈出的第一步或前两步。
精英板球运动员在预测投球结果方面比技术较差的运动员做得要好得多。他们可以在观看投球手只迈出一步后做出相当准确的预测，如果他们能看到投球直到球离开投球手的手并处于飞行状态，他们的准确性会大大提高。技术较差的球员表现要差得多。他们早期的猜测与机会没有什么区别，只有当他们能够观看投球直到球离开投球手的手并处于飞行状态时，他们的预测才有所改善。
预测任务的结果似乎涉及到运动员通过练习发展出的相同大脑区域，这可以解释为什么运动员在这些挑战中往往表现得更好。在一项相关研究中，萨皮恩扎大学的 Salvatore Aglioti 组织了一群人，其中一些是职业篮球运动员，并在他们观看其他球员罚球的电影时扫描了他们的大脑。一些电影在球离开球员手中之前就停止了；另一些电影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。这组球员中，职业球员大脑中控制手部和手臂肌肉的区域活动非常活跃，而在非运动员中，这些区域则相对安静。看来，篮球运动员正在脑海中精神重演罚球，利用他们的专业知识来猜测电影中的球员会如何表现。
这些研究开始回答了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，他们可能会找到赋予人们更好技能的方法。2009 年 2 月，Krakauer 和约翰霍普金斯大学的 Pablo Celnik 简要介绍了这些干预措施可能是什么样子。科学家们让志愿者通过拇指和食指捏住一个称为力传感器的装置，在一个屏幕上水平移动光标。受试者捏得越用力，光标移动得越快。每个玩家都被要求在一系列目标之间来回移动光标，尽量快速地完成赛道，而不会 overshoot。该小组每天训练 45 分钟，持续五天。训练结束时，玩家犯的错误大大减少。
科学家们还训练了另一组人玩同一个游戏，但有一些变化。他们将一个电池放在每个受试者的头顶上，通过大脑表面发送微弱电流，流向主运动皮层的一组神经元。电刺激使人们能够更好地学习游戏。经过五天的训练，电池增强的玩家比对照组能够更快地移动光标并犯更少的错误。而且这种优势并非短暂。在三个月的时间里，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，但在这个时期结束时，得到电极增强的人仍然比其他人更优越。
Krakauer 和 Celnik 的研究暗示了可能摆在体育界面前的全新道德伦理问题。网球运动员在练习发球时佩戴便携式电极是否算作作弊？毕竟，她只是在加速普通练习带来的相同变化。如今关于体育兴奋剂的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。
