Что вызывает сотрясение мозга? Что происходит с мозгом при ударе? Это прямое поступательное или вращательное воздействие? Это одна из областей исследований, которые в настоящее время исследуются лабораторией Цяньхун Ву в Университете Вилланова.
Наш мозг состоит из мягкого вещества, погруженного в водянистую спинномозговую жидкость (ликвор) внутри твердого черепа. Воздействие на твердый череп передается через тонкий слой ликвора в субарахноидальном пространстве к мягкому мозговому веществу.
Что происходит с мозгом при ударе?
В книге «Физика жидкостей», изданной издательством AIP, Ву и соавторы Цзи Лан и Рунгун Натан описывают изучение другой системы с теми же характеристиками — в качестве примера с мозгом использовать яйца для поиска ответов. Яйцо напоминает мозг, потому что его мягкий желток купается в жидком яичном белке внутри твердой скорлупы.
Учитывая, что в большинстве случаев при сотрясениях мозга череп не ломается, Ву хотел выяснить, можно ли разбить или деформировать яичный желток, не разбивая скорлупу.
Исследователи провели простой эксперимент с использованием яичного скремблера, из которого они могли видеть, что вращательная сила может легко разбить яичный желток и заставить его смешаться с яичным белком.
С точки зрения основных концепций, лежащих в основе этой работы, мягкая капсула — это мягкая материя, связанная мембраной, — погруженная в окружающую жидкость. Капсула имеет непроницаемую мембрану, отделяющую жидкость внутри капсулы от внешней.
По голове могут быть нанесены два вида ударов. Поступательный удар — это удар, который непосредственно попадает в голову, в то время как вращательный удар происходит, когда внешний «контейнер» ускоряется или замедляется вращением. Последнее естественно возникает в спорте, когда шлемы не круглые. Рассмотрим, например, пару ребер жесткости за многими конструкциями хоккейных шлемов.
Исследователи обнаружили нечто совершенно нелогичное и очень удивительное. Прямое поступательное воздействие не вызывает деформации яйца, в то время как замедление вращения вызывает огромную деформацию яичного желтка. Это открытие проливает свет на движение и деформацию нашего мозга, когда голова подвергается внезапным внешним воздействиям.
«Мы подозреваем, что вращательное, особенно замедленное вращательное, воздействие более вредно для мозгового вещества», — сказал Ву. «Большая деформация мозгового вещества во время этого процесса вызывает растяжение нейронов и вызывает повреждение.»
Это открытие объясняет, почему боксеры, скорее всего, упадут в обморок, если их ударить по подбородку.
«Учитывая, что подбородок является самой удаленной точкой от шеи, удар по подбородку может вызвать наибольшее ускорение вращения / замедление головы», — сказал он.
Когда речь заходит о сотрясениях мозга, которые являются серьезной проблемой для общественного здравоохранения, «остается неясным, как повреждается мозг и как избежать таких травм», — сказал Ву.
«Критическое мышление, наряду с простыми экспериментами на кухне, привело к серии систематических исследований для изучения механизмов, которые вызывают деформацию яичного желтка», — сказал Ву. «Мы надеемся применить извлеченные из него уроки к изучению биомеханики мозга, а также других физических процессов, связанных с мягкими капсулами в жидкой среде, таких как эритроциты.»
Будучи первым исследованием такого рода, эта работа открывает новую перспективу для понимания реакции мягкого объекта, связанного мембраной, на внезапные внешние воздействия. Эта новая перспектива заинтересует тех, кто разрабатывает шлемы.
Источник Истории:
Материалы предоставлены американским Институтом физики.
