人類大腦和身體通過發展新的潛力以響應各種挑戰的事實，其背後潛藏的原理是有目的的練習和刻意練習的有效性。倫敦出租車司機、奧運會體操選手或者音樂節上小提琴演奏家等人的訓練，事實上是一種充分利用大腦和身體的適應能力發展和提升新能力的方法，而這些能力，我們以前並沒有通過其他方式來發展和提升。
音樂訓練如何改變大腦
要證實上述觀點，最好是觀察音樂能力的發展與提升。過去20多年，研究人員極為細緻地研究了音樂訓練如何影響大腦，以及那些影響反過來如何造就在音樂上的極高造詣。最有名的研究發表在1995年的《科學》（Science）期刊上。阿拉巴馬大學伯明翰分校的心理學家愛德華·陶布（Edward Taub）與四位德國科學家合作，招募了六位小提琴演奏家、兩位大提琴演奏家和一位吉他演奏家，這些人全都不是左撇子。研究人員對他們的大腦進行了掃瞄。另外，他們還招募了六位並非音樂家的實驗對像作為控制組成員，作為那些音樂家的參照對象。陶布想瞭解的是，這兩群人在他們的大腦中專門用於控制手指的部位上有哪些區別。
陶布最感興趣的是音樂家左手的手指。演奏小提琴、大提琴或者吉他，需要對那些手指進行超常的控制。手指得在樂器上來回滑動，而且需要在琴弦之間來回切換（有時，這種切換的速度奇快無比），還必須異常準確地把手指放在特定的位置。此外，從樂器中發出的許多抖動的聲音，比如顫音等，涉及手指放在某些位置時的滑動或顫動，通常需要大量的練習才能熟練掌握。左手的大拇指幾乎不會用到，主要只是用一些力氣，以便左手握緊樂器。右手的功能也比左手簡單得多，對大提琴和小提琴演奏家而言，主要是握住琴弓，而對吉他來說，主要是撥彈或捏住弦。簡單地講，對這類樂器演奏者的訓練，重點是加強他們對左手手指的控制。因此，陶布提出的問題是：這會對大腦產生什麼影響？
陶布的團隊使用腦磁波描記器來確定研究對象的大腦控制了哪些手指，這種儀器通過檢測大腦中細微的磁場，勾畫了大腦的活動。特別是，實驗人員還觸碰了研究對象的單個手指，並觀察每次觸碰時，他的大腦的哪些部位給予了響應。實驗人員發現，與非音樂家研究對像相比，音樂家大腦中控制左手的區域明顯大得多。特別是控制手指的大腦區域，已經佔據了通常專門用於控制手掌的那些區域的一部分。此外，音樂家開始演奏的時間越早，這種膨脹就越明顯。相反，在音樂家與非音樂家的實驗對像控制右手手指的大腦區域中，研究人員並沒有發現任何差別。
這些研究的含意是明顯的：音樂家年復一年地練習某種絃樂器，使他們大腦中控制左手手指的區域逐漸變化，從而使他們控制那些手指的能力也日漸增強。
這次研究之後的20年裡，其他研究人員詳細闡述了其研究成果，並描述了音樂訓練影響大腦構造和運行的各種不同方式。例如，與非音樂家的研究對像相比，音樂家在控制移動中發揮著重要作用的大腦部位，也就是小腦，通常大一些，而且，音樂家訓練的時間越長，小腦也越大。與非音樂家的研究對像相比，音樂家在皮層的各種不同部位中擁有更多的腦灰質（一種包含神經元的大腦組織），包括軀體感覺區（觸覺和其他感覺）、頂上區（來自雙手的感覺）以及前運動皮層（計劃移動和引導在空間中的運動）。
對於那些沒有接受過神經科學培訓的人們，一旦知道哪些大腦區域中到底會發生什麼，可能會讓他們感到震驚，但從宏觀來看，卻是十分清楚的：音樂訓練以各種不同方式改變了大腦的結構與運行，使人們的音樂演奏能力進一步增強。換句話講，最有效的訓練形式其實不只是幫助你學會某種樂器的那些訓練，而且是更深入和更高級的訓練，這些訓練確實增強了你演奏樂器的能力。當你演奏音樂時，這些訓練改變了你大腦中的部位，從某種程度上提升了你自己的音樂「天賦」。
從純智力技能到純體格技能
除了音樂領域之外，科學家在其他行業或領域所做的這類研究不是太多，儘管如此，在科學家已經研究的每一個行業或領域，結果都相同：長期的訓練，使大腦中與那種特定技能相關的部位發生了改變。這些研究有的著眼於純智力的技能，比如數學能力。例如，與非數學家的研究對像相比，數學家的頂下小葉中的腦灰質明顯多得多。這個大腦區域負責數學計算和看見空間中的物體，在數學領域的許多方面，這些功能十分重要。此外，它恰好也是研究過阿爾伯特·愛因斯坦的神經系統科學家十分關注的大腦區域。那些科學家發現，愛因斯坦的頂下小葉比常人大許多，而且形狀也格外異常，這些發現使得科學家們推測，愛因斯坦的頂下小葉，可能在他進行抽像數學思考方面發揮著至關重要的作用。難道像愛因斯坦那樣的人，一生下來就擁有比常人更發達的頂下小葉，因而具有擅長數學思考的天賦嗎？你可能會這樣想，但是，研究人員對數學家與非數學家大腦部位的尺寸進行過研究，結果發現，那些從事數學研究工作時間越長的數學家，其右側的頂下小葉中腦灰質越多，這可能意味著，頂下小葉這個部位更大，是他進行大量數學思考的結果，而不是天生就如此。
許多科學家對那些既有心理因素又有生理因素的技能開展了眾多研究，比如音樂演奏。最近的一項調查關注了滑翔機飛行員和非飛行員的大腦，發現飛行員的大腦在幾個不同區域中擁有更多的灰色區域，包括左腹側前運動皮層、前扣帶皮層以及輔助眼區。這些區域似乎涉及許多方面，包括學習怎樣使用滑翔機的控制桿，在飛行時將指示滑翔機方位的身體平衡信號與視覺信號進行對比，以及控制眼睛運動等。
即使是我們通常認為的純「體格技能」，比如游泳或體操（這些運動需要謹慎地控制身體的移動），大腦也在其中發揮著重要的作用，研究發現，訓練也造就了大腦的改變。例如，競技跳水運動員與非競技跳水者相比，在測量大腦區域中腦灰質數量的一個指標（即皮層厚度）上，前者在三個特定區域中都更厚一些，所有這三個區域都在覺察和控制身體的移動方面發揮著作用。
三個重要細節
儘管由於技能不同，具體細節也各不相同，但總的規律不變：經常性的訓練會使大腦中受到訓練挑戰的區域發生改變。大腦通過自身重新布線的方式來適應這些挑戰，增強其執行那些挑戰所需功能的能力。從那些關於訓練對大腦影響的研究中，我們應當可以得出這樣一條基本信息，但還有其他更多細節值得一提。
第一個值得一提的細節是：訓練對大腦的影響。可能隨著年齡增長，在幾個方面有所不同，最重要的方面是：年輕人的大腦，即兒童和青少年的大腦，比成年人的大腦更具適應能力，因此，年紀越小，訓練產生的影響也越大。因為年輕人的大腦會以諸多不同方式來發育，因此，幼年時期進行的練習，實際上可以塑造後來的發育路線，從而造就更大的改變。這就是「折彎幼枝效應」。如果你將一根剛剛長出來的幼枝稍稍折彎一點點，那麼到最後，那根樹枝生長的位置，可能會發生重大改變；而如果你去折彎已經長成了的樹枝，這種影響則小得多。
這種效應的一個例子是，與非音樂家相比，成年鋼琴家大腦的某些區域通常擁有更多的腦白質，這種差別完全由他們在兒童時期經常練習所致。孩子越早開始練鋼琴，長大後腦白質也就越多。因此，儘管你也可以在成年以後再開始學彈鋼琴，但與兒童時期開始學相比，大腦中不會產生更多的腦白質。目前，並沒有人知道這在現實中有怎樣的含義，但一般來講，腦白質增多，可以加快神經信號的傳送，因此，在兒童時代練習彈鋼琴，似乎能使練習者具有一定神經學上的優勢，這是成年以後練鋼琴無法比擬的。
第二個值得一提的細節是，通過超長時間的訓練來發展大腦中的某些部位，可能得付出一些代價。在許多案例中，那些已經超常發展了某項技能或能力的人，在另一些行業或領域則出現了退化。馬圭爾對倫敦出租車司機的研究，也許就是最好的例子。到了四年的訓練結束時，受訓者要麼完成了訓練，成為獲許可的出租車司機，要麼不再嘗試，此時，馬圭爾再用兩種方法測試他們的記憶。一種方法涉及認識不同倫敦地標的位置，對此，已經成為獲許可出租車司機的人比其他實驗對像強得多。第二種方法是空間記憶的標準測試，即在延遲30分鐘之後再記住複雜的圖案，這一次，獲許可的出租車司機，比那些從來沒有接受過出租車司機培訓的實驗對象，表現卻差得多。
相反，那些已被淘汰的受訓者與那些從未受過培訓的實驗對像幾乎相差無幾。由於在為期四年的實驗開始之時，所有三組實驗對像在這項記憶測試上的得分都很好，因此，唯一的解釋是，那些獲許可的出租車司機儘管提高了對倫敦街道的記憶，卻導致其他類型的記憶力出現下降。儘管我們不能確定地知道是什麼導致這種現象的發生，但是，似乎那些密集的訓練導致受訓者的大腦將越來越大的部分專門用於這種記憶，從而留給其他類型記憶的腦灰質變少了。
最後，由訓練引起的認知和生理變化需要繼續保持。如果停止訓練，它們便開始消失。例如，在沒有重力的太空中待了幾個月的宇航員，一旦回到地球，會發現自己難以正常行走。另外，由於骨折或者韌帶撕裂而停止訓練的運動員，他們無法訓練的肢體將喪失大部分的力量和耐力。同樣的現象也在自願參加研究的運動員身上出現。在這些研究中，他們必須臥床一個月左右的時間。結果，力量下降了，速度減緩了，耐力消失了。
同樣的現象，對大腦也是一樣的。馬圭爾研究一組倫敦出租車司機時發現，他們海馬體後部區域中的腦灰質比活躍的出租車司機少一些，不過，依然比那些已經退休、從來沒有當過出租車司機的研究對像多一些。一旦這些出租車司機停止每天都運用自身導航記憶的訓練，那麼，由於這種訓練而引起的大腦改變也將開始消失。