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痴呆源自大脑,侧边撞击后

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痴呆源自大脑,侧边撞击后

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脑震荡源自大脑深处“铃声”

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为建立头部运动模式,研究人员从测量橄榄球比赛中头部受到的撞击入手。图片来源:AP PHOTO/MEL EVANS

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头部侧面撞击时,深白质和靠近胼胝体的结构最容易受伤。

一项最新的建模研究发现,当足球运动员头部受到重击并且嗡嗡响时,这不只是一种表达方式:和真实的铃一样,其大脑会在不同频率上振荡。该研究结果支持了这样一种观点,即脑震荡并非源自大脑和头骨的碰撞,而是响声在大脑深处引发的组织拉伸和切变。研究人员表示,应设计更好的头盔,以抑制最具破坏性的低频振动。

为建立头部运动模式,研究人员从测量足球比赛中头部受到的撞击入手。

在进行一些有碰撞风险的运动时,人们可能会因为遭受重击或摔倒而让头部受到强有力的打击。这时的我们会感到脑袋里“嗡的一声”,就像在“敲铃”。现在,越来越多的人已经意识到头部的强烈冲击会导致严重且持续的影响,这包括脑震荡、轻微的创伤性脑损伤以及神经系统紊乱。但我们仍不十分清楚,遭受重击后,我们的脑袋中究竟发生了什么。

为更好地确定头部受到重击期间真正发生了什么,美国斯坦福大学生物工程师David Camarillo和同事通过让该校31名足球运动员戴上装有加速度计和陀螺仪的护齿器,收集了关于真实撞击的数据。研究人员利用关于189次碰撞的数据(包括两次导致脑震荡的撞击),以及主要来自尸体的各种大脑组织材质属性的数据,模拟了大脑如何机械地应对每次撞击。

图片来源:AP PHOTO/MEL EVANS

Mehmet Kurt是美国史蒂文斯理工学院的一名机械工程师,他主攻休息时和头部快速运动时大脑和头骨的生物力学研究。在7月30日发表于《应用物理评论》杂志上的一项新研究中,通过生物工程模拟,他和同事们一起跟踪了大脑在侧面受到撞击时的行为,并对此时大脑内的惯性应力和应变进行了重建。

该团队发现,每次撞击会以一种复杂的方式让大脑在十分之几秒的时间里颤动。研究人员将这一动作分解成动态模式——拥有不同频率的短暂的动作模式。当受到撞击时,大脑振动得最有力,频率约为每秒30个周期。这几乎和钢琴上第二个最低键的频率相当。研究人员在日前出版的《物理评论快报》上报告了这一结果。平均而言,每秒低于33个周期的模式能吸收传给大脑的总体能量的75%。

一项最新的建模研究发现,当足球运动员头部受到重击并且嗡嗡响时,这不只是一种表达方式:和真实的铃一样,其大脑会在不同频率上振荡。该研究结果支持了这样一种观点,即脑震荡并非源自大脑和头骨的碰撞,而是响声在大脑深处引发的组织拉伸和切变。研究人员表示,应设计更好的头盔,以抑制最具破坏性的低频振动。

Kurt说:“大脑不仅会发出嗡的一声,当头部受到侧面撞击并经历旋转加速时,它还会有一种独特的“敲铃”模式。”Kurt和包括史蒂文斯大学的研究生Javid Abderezaei在内的研究小组一起结合脑震荡模拟和人类大脑运动数据分析后得出结论:从侧面重击头部会导致旋转加速度,进而使机械振动集中在大脑的两个区域。这两个区域其中一个是皮层(连接大脑半球的桥梁),另一个是脑室周围区域(大脑根部的白质叶,帮助加速肌肉活动)。

论文作者之一、史蒂文斯理工学院头部损伤生物力学专家Mehmet Kurt 表示,更重要的是越硬的撞击会激起越多振荡。这可能是关键所在,因为不同振荡模式影响的是大脑不同部位的运动,从而可能导致邻近区域以不同频率振荡。例如,对导致运动员失去意识的撞击进行的建模显示,在此次撞击中,脑胼胝体和周围的白质相比以更高的频率振荡。Kurt解释说,即便振荡仅持续了几个周期,但当邻近的大脑区域以不同频率振荡时,这些组织的拉伸和切变也在增加。

为更好地确定头部受到重击期间真正发生了什么,美国斯坦福大学生物工程师David Camarillo和同事通过让该校31名足球运动员戴上装有加速度计和陀螺仪的护齿器,收集了关于真实撞击的数据。研究人员利用关于189次碰撞的数据(包括两次导致脑震荡的撞击),以及主要来自尸体的各种大脑组织材质属性的数据,模拟了大脑如何机械地应对每次撞击。

Kurt和Abderezaei与亚利桑那大学的Kaveh Laksari和伍斯特理工学院的Songbai Ji合作发现,头骨内部的几何结构和大脑的胶状性质是导致这两个区域在特定频率下共振且容易受到更大剪切力影响的因素。所以相比较其他脑区,这两个部位因受到较大的剪切力而产生了更多的组织和细胞损伤。

最新分析对于脑震荡研究人员来说可能喜忧参半。“一方面,研究表明,这个问题可能比想象的更加复杂。另一方面,我们可能拥有了研究它的正确工具。” 圣路易斯华盛顿大学专注于头部撞击研究的机械工程师Philip Bayly表示。例如,通过比较不同模式的运动,研究人员或许能阐明最易受伤的大脑区域。而且,头盔生产商可能会注重设计能抑制破坏性最强的频率的头盔。

该团队发现,每次撞击会以一种复杂的方式让大脑在十分之几秒的时间里颤动。研究人员将这一动作分解成动态模式——拥有不同频率的短暂的动作模式。当受到撞击时,大脑振动得最有力,频率为每秒约30个周期。这几乎和钢琴上第二个最低键的频率相当。研究人员在日前出版的《物理评论快报》上报告了这一结果。平均而言,每秒低于33个周期的模式能吸收传给大脑的总体能量的75%。

Abderezaei说:“头部受到撞击会在大脑中产生非线性运动。这意味着振幅的小幅度增加可能导致某些结构发生意想不到的大变形。”

论文作者之一、史蒂文斯理工学院头部损伤生物力学专家Mehmet Kurt 表示,更重要的是越硬的撞击会激起更多振荡。这可能是关键所在,因为不同振荡模式影响的是大脑不同部位的运动,从而可能导致邻近区域以不同频率振荡。例如,对导致运动员失去意识的撞击进行的建模显示,在此次撞击中,脑胼胝体和周围的白质相比以更高的频率振荡。Kurt解释说,即便振荡仅持续了几个周期,但当邻近的大脑区域以不同频率振荡时,这些组织的拉伸和切边也在增加。

这些非线性振动在具有一系列组织密度的复杂器官中并不令人惊讶。再加上坚硬的保护膜——特别是从上到下固定大脑的大脑镰和小脑幕——的抑制作用,某些区域在侧面撞击时肯定会变得更糟。

最新分析对于脑震荡研究人员来说可能喜忧参半。“一方面,研究表明,这个问题可能比想象的更加复杂。另一方面,我们可能拥有了研究它的正确工具。” 圣路易斯华盛顿大学专注于头部撞击研究的机械工程师Philip Bayly表示。例如,通过比较不同模式的运动,研究人员或许能阐明最易受伤的大脑区域。而且,头盔生产商可能会注重设计能抑制破坏性最强的频率的头盔。

为了进一步研究脑震荡和碰撞中大脑发生的行为,科学家需要首先找到在侧面碰撞中最危险的大脑区域。尽管每年有超过30万的美国儿童和青少年遭受与运动有关的脑震荡,但是该研究的进展仍然很慢。

科界原创

编译:小贝

审稿:阿淼

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