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在有限食物量的竞争中取得成功，是所有物种中个体生存以及将基因遗传给下一代的重要因素。最擅长寻找和获取食物的个体最有可能生存和繁衍，这适用于所有动物的进化。人类祖先能够克服食物短缺的最突出的能力是创造力，这使他们能够设计和制造狩猎工具、控制和利用火、驯化动物。语言的发展使他们能够积累大量有价值的信息，并将信息代代相传。
作为间歇性禁食的研究框架，我经常思考这样一个基本问题：在食物匮乏时期，大脑和身体如何适应并表现良好，从而为进化过程提供了生存优势。在这方面，值得考虑的好例子是猫的视觉敏锐度、速度和敏捷性的演变，以及狼的“社会大脑”的进化，这种进化使它们能够合作捕获大型猎物。可以想象一群狼围着一头水牛的场景。
一个事实是，植物进化出了保护它们不被吃掉的机制。植物具有产生无数化学物质的非凡能力，这些化学物质保护它们的重要部分不被昆虫和包括人类在内的其他动物吃掉。我得出的结论是，某些蔬菜和水果、咖啡、茶和黑巧克力对健康有益的原因是因为它们含有苦味的化学物质，这种化学物质会在我们的细胞中引起温和而有益的应激反应。例如，咖啡因、姜黄素（在姜黄中）、萝卜硫素（在西蓝花中）和白藜芦醇（在红葡萄中），它们就是植物产生的苦味化学物质，这些植物的目的是保护它们不被食用。对我们来说，能够忍受这些“植物化学物质”是有利的，这样我们就可以从植物中获取能量和其他营养。因此，我们进化出多种机制，使我们能够大量消耗这些植物，并对它们的苦味化学物质做出积极反应。我将在第六章详细阐述这种有益于健康的植物化学物质。
我们今天所知的人脑细胞结构是由数百万年的进化过程“塑造”而成的。这种“塑造”的全部或部分是根据特定的大脑结构或神经细胞类型是否能提高获取食物或繁殖的成功率。海马体对人类特别重要，它对于人类在复杂环境中成功找到食物来源至关重要；前额皮层在决策和执行复杂任务中起主要作用；下丘脑控制食欲、能量代谢和生殖。继续读下去，你会了解到大脑区域的神经元回路，它们在日常生活中的作用，以及它们受间歇性禁食的影响。
在复杂的环境中行动时，准确导航的能力是成功获取食物的基础。大脑海马体对导航的控制非常重要——知道目标物的当前位置并记住到达那里的路径。把大鼠和小鼠放在实验室笼子里，并给它们带上虚拟现实护目镜，记录它们海马体中的神经元活动，神经科学家发现了类似地理定位系统的东西来引导它们。特定的神经元对动物当前的位置和方向进行编码。此外，当动物“想象”未来的导航路径时，这些神经元变得活跃。称为“位置细胞”的海马体神经元编码动物的当前位置，而被称为“网格细胞”的内嗅皮层神经元（一个与海马体直接相连的大脑区域），对于规划动物下一步的去向至关重要。海马体的连续放电“重演”了先前食物奖励目标的路线。向前回放和向后回放都会发生，这对于动物在脑海中想象它走过的路线的能力可能是至关重要的，这样它就可以很容易地回到先前的位置。知道哪里最有可能找到食物以及如何到达那里，是动物和人类生存的基础。
猿的前额皮层，比其他如狗和猫这样的哺乳动物要大得多。有令人信服的证据表明，在灵长类动物进化过程中，前额皮层的扩张使生活在热带森林树冠层的类人猿能够做出关键决定，从而提高它们觅食水果和坚果的效率。热带森林有很多生产水果和坚果的树种，这些树位于不同的地区，它们在一年中的不同时间成熟。这些零星分布的食物来源和它们的间歇可用性决定了人类和动物何时离开基本耗尽的食物区并寻找对生存至关重要的不同食物区。研究表明，食物密度降低到整个觅食区的平均食物密度时，猴子和人类狩猎采集者会离开这片区域。猴子大脑神经元的电生理记录揭示了不同脑区的神经元如何调节觅食决策。这些研究揭示了动物如何以最大化食物获取效率的方式，整合视觉皮层、前额皮层、海马体和运动皮层。
人类肌肉骨骼和生理特征的演变，使他们能够有效地长时间行走和奔跑。随着人类领土的扩大和社会群体规模的增加，他们的大脑进化出了增强食物获取安全性的高级能力。这些能力包括创造力、想象力、协作能力和语言能力。人类祖先在几十万年的时间里制造的第一批工具大多是为了获取或加工食物——片状石头、长矛、弓箭、火和餐具。然后才出现了动物驯化、农业、食品运输、储存和配送、机械制造和加工食品行业。
有趣的是，一些鸟类，如乌鸦和鹦鹉，也进化出了与人类相似的获取食物的高级认知能力。单词caching描述了将少量食物（或其他有价值的物品）藏在别人不容易发现的地方的行为。剑桥大学的尼古拉·克莱顿通过研究灌丛松鸦的情景记忆行为，揭示了这些鸟类非凡的类似人类的认知能力。这些鸟把少量的食物藏在树叶、木头和其他类似的地方，然后再回来吃食物。克莱顿的研究表明，这些鸟类可以记住过去，规划未来，并理解其他鸟类的行为。原来，乌鸦和鹦鹉前脑中的神经元数量比灵长类动物大脑中神经元的数量多，这可能有助于鸟类的高级智力的产生。与灵长类动物类似，乌鸦有一个突出的海马体，可以生成周围环境的“认知地图”。它们的海马体与涉及执行功能（以目标为导向的规划、策略和自我监控）和决策的大脑结构相连。此外，它们经常使用心智游移和获取、隐藏、恢复食物的社会认知。这些鸟基于单一的过去经历来记住发生了什么，什么时候发生的和在哪里发生的，这使它们能够区分许多类似的先前事件。它们甚至学习食物的“保质期”，先吃易腐的食物。
大约10 000年前开始的农业革命，导致食物匮乏的自然形势发生了巨大的变化，人类大脑的进化出现了不同寻常的变化。从那时起，世界各地的人都享受到了丰富的食物。在农业革命之前，现代的早餐、午餐和晚餐的膳食模式是不可能的。没有人可以醒来就有食物吃。他们不得不为了食物而工作，事实上，他们醒着的大部分时间都在工作。
随着农业发展和食物分配效率的提高，越来越多的人从事与获取食物无关的新职业。有组织的教育系统和高等教育机构激增，人类通过探索自然，真正理解了我们在宇宙中的位置，加强了对地球上生命的认知。
对无生命物体（物理学）和生物（生物学）的研究是在16世纪的科学革命和17世纪末、18世纪初的启蒙运动中开始的。尼古拉·哥白尼提供了地球围绕太阳公转的证据，这一证据被描述了行星运动定律的约翰内斯·开普勒和伽利略·伽利雷证实并扩展。接着是艾萨克·牛顿，他阐述了万有引力和三大运动定律。宗教领袖、政府官员和大部分普通公众对这些早期科学家嗤之以鼻，因为这些科学家的发现违背了宗教文献中的信息。但是大多数的早期科学家也是虔诚的，他们最终不得不相信他们的眼睛，而不是宗教的神话。科学的启示确立了什么是真实的、什么是想象的，而且科学发现还在继续。
19世纪中期，查尔斯·达尔文和阿尔弗雷德·华莱士积累了大量的证据，有力地证明了物种是通过一个长期的选择过程进化而来的，这一过程为物种在领地范围内的生存和繁殖提供了优势。在接下来的150年间，遗传学、分子生物学、生物化学和细胞生物学有了指数级的进步，并建立了进化发生机制。我们细胞核中四种DNA碱基（A、C、T、G）的特定序列决定了我们的细胞能产生什么样的蛋白质。蛋白质由氨基酸组成，每个蛋白质中的氨基酸序列由编码该蛋白质的基因DNA序列决定。我们从父亲那里继承了一半基因，从母亲那里继承了一半基因，所以我们每个人都混合了父母双方的特征。
我们的基因和它们编码的蛋白质不仅决定了我们的身体特征，还决定了我们的行为能力和倾向，以及我们是否有可能患某种特定的疾病。例如，如果你的父母在年轻时都患有心脏病，那么与你那些父母没有患心脏病的朋友相比，你更有可能患心脏病。这也适用于一些脑部疾病，包括抑郁症、焦虑症、帕金森病和阿尔茨海默病。但是除了极少数导致特定疾病的基因产生了突变，你继承的基因只是说明你有患病的风险。这是一个好消息，因为它提供了一个来调整你的饮食和生活方式的机会，从而对抗你从父母那里继承的任何潜在的“坏”基因。随着你继续阅读，你会了解到间歇性禁食是一种生活方式的改变，可以让人们免遭许多疾病的侵害——心脏病、糖尿病、脑卒中、癌症和一系列脑部疾病。
19世纪晚期，意大利病理学家卡米洛·高尔基在理解大脑方面取得了重大进展，他开发了一种对神经系统组织进行染色的方法，结果仅导致一小部分神经元染成深黑色。这种分化使得能够在未染色细胞的白色背景上可视化神经元的树突和轴突的整体。在“高尔基染色法”开发之前，还没有确定大脑由数十亿个通过突触连接的独立神经元组成。西班牙神经科学家圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔使用高尔基染色法，在显微镜下仔细观察了许多不同种类哺乳动物的神经系统，并绘制了他观察到的染色神经元。他的研究为大脑中神经细胞网络的复杂组织提供了前所未有的观点，并为随后阐明不同脑区的功能以及神经元如何通过电活动和突触处神经递质的作用相互交流奠定了基础。对卡哈尔绘制的各种动物——小鼠、猫、狗、猴子和人类——不同大脑区域的神经细胞网络的检查显示，这些动物大脑的“细胞结构”非常相似。因此，人类大脑和低等动物大脑的主要区别在于，人类大脑中有更多的神经元和突触。
过去50年的大脑分子神经生物学研究表明，人脑神经元中的几乎所有基因也存在于最常被研究的实验动物——小鼠和大鼠——的神经元中。目前研究已经确定了许多啮齿动物和人类共有的基因，它们对间歇性禁食的反应是可以改善细胞和细胞所在器官的功能和耐久性。其中一些基因编码的蛋白质可以增加细胞中线粒体（细胞中制造能量的结构）的数量，而其他基因编码的蛋白质可以增强细胞修复受损的DNA、抑制自由基的能力。这些基因在过度放纵和久坐不动的生活方式的个体细胞中相对处于休眠状态。我怀疑这至少部分解释了为什么这种生活方式会增加许多疾病的风险，包括那些影响大脑的疾病。
最近，对驯养动物和人类大脑的研究显示，食物匮乏是推动大脑进化的重要力量，这一点令人瞩目，也有些令人不安。人类首先选择饲养最友好的动物——狗，然后再针对特定的身体特征（例如小型或大型，黑色或红色毛发，可爱或粗犷外观）或行为特征（例如牧羊或猎狐）进行选择。然而，有趣的是，一只宠物狗的脑容量比狼的脑容量要小（图1.1），即使这只宠物狗的体型和狼一样大。这显然也适用于驯养的农场动物，它们的大脑比它们的原始野生物种要小。因此，不管我们人类选择了什么特征的动物，家养动物的大脑容量都变小了，这是所有家养动物共有的环境因素的结果。我认为在驯化过程中大脑容量的减小是因为给动物提供了不间断的食物。因此，它们不会经历间歇性的食物匮乏，与野生环境中的同类相比，它们不必花费精力和体力去获取食物。显然，在相对较短的几代时间内，在食物匮乏的压力下进化的大脑区域中的一些神经元和突触不再是在人类有持续食物供应的环境中所必需的。
图1.1 食物过剩被认为是大脑容量缩小的原因
家养动物驯化期间大脑容量减小的现象，也可能通过“自我驯化”过程发生在人类身上。通过检测10 000多年前死者的头骨，将他们的颅骨体积（他们大脑所占的空间）与现代社会中的人进行比较，科学家们得出结论，即现代人类的大脑整体尺寸缩小了约10%。随着农业的出现和省力技术的发展，大脑容量的缩小相对较快，这可能不是巧合。我怀疑，对成功狩猎和觅食至关重要的大脑神经回路的废弃导致了大脑容量的减小——这是一种“用进废退”的情景。然而，可以断定，以前日常广泛用于狩猎和觅食的大脑区域（运动皮层、颞叶、额叶）已经减小，而用于语言和抽象思维的区域已经增加。非洲有几个仍然以狩猎生活为主的部落，从他们大脑的电子计算机断层扫描（CT）或磁共振成像（MRI）扫描中获取和分析图像，并将它们与现代（非狩猎采集）社会中人的大脑图像进行比较，这是非常有意义的。
过度放纵和久坐的生活方式对大脑的潜在不良后果值得当代人和后代人认真关注。每个阅读这本书的人都知道，长期超重和久坐不动对他们的心血管系统不利，身体质量指数大于25kg/m 2 的人患心脏病、脑卒中和糖尿病的风险增加。这对于肥胖人群（身体质量指数为30kg/m 2 或以上的人）来说更是一个问题。事实上，肥胖现在被认为是一种需要强化治疗的疾病。过去十年的大量证据表明，长期暴饮暴食的人大脑功能（平均而言）不如那些适度控制食物摄入量的人。与同龄的正常体重的成年人相比，肥胖的成年人在各种认知测试中表现相对较差。肥胖人群认知功能的下降与他们海马体尺寸的减小有关。糖尿病可以加速大脑萎缩和认知障碍，肥胖或患有糖尿病或两者兼而有之的人将增加患阿尔茨海默病的风险。由于肥胖是在最近（在过去40年中）才开始流行，也就意味着，随着这些个体达到其生命的第六、第七和第八个十年，届时患有阿尔茨海默病的个体数量将会相应增加。不幸的是，当前阿尔茨海默病的治疗方法无法减少其对大脑的无情破坏，更不用说治愈了。继续读下去，你会了解到间歇性禁食是如何降低患老年痴呆症的风险的。
比长期过量食用食物对大脑的不利影响更令人不安的是，研究表明，肥胖的儿童和青少年相较于体重正常的同学，学习和记忆能力较差。在美国，儿童肥胖率最高的州，高中和大学毕业生的比例也最低。此外，母亲和父母的肥胖通过“表观遗传”分子变化使后代的认知结果更差——不是基因DNA序列的变化，而是DNA上分子“标签”的数量和位置的变化，这些标签可以改变基因开启或关闭的程度，从而增加或减少基因编码的特定蛋白质的产生。第七章讨论了对于肥胖或糖尿病母亲而言，表观遗传学在其所生孩子患孤独症风险增加中的作用。
但是我们的进化史为我们和未来几代人提供了一些乐观的理由。很明显，许多大脑结构和神经细胞网络的进化使食物获取成功，并可用于解决其他问题。例如，每天从事具有智力挑战性的工作会“锻炼”海马体和前额皮层中的神经元回路，从而保持或增加这些回路中神经元之间的突触数量。一个人的大脑在智力和社交方面的积极参与也可能促进海马体干细胞产生新的神经细胞，这一过程被称为“神经发生”。有证据表明，每天都从事需要智力挑战职业的人不太可能在高龄后患上痴呆症。
大脑在食物匮乏（禁食）状态下会功能良好，甚至处于最佳状态。食物过量会对大脑产生负面影响，因为增强大脑功能的信号通路在一个人消耗食物时发挥的作用很小，超重和久坐不动甚至会抵消运动对大脑功能的有益影响。研究表明，体育运动和间歇性禁食通过刺激新突触的形成和促进神经发生，能更好地加强智力挑战性任务带来的有益效果。因此，尽管目前肥胖、糖尿病和认知障碍的过度增长对人类大脑未来的进化不是好兆头，但逆转这一趋势仍有很大的空间。
所以，当你继续读下去的时候，请记住一群狼围着一头水牛或我们的祖先制造长矛的画面，因为这些画面捕捉到了在食物匮乏的环境中，人类的身体和大脑如何通过自然选择的过程被“塑造”的本质。