フットボール選手が頭に大きな打撃を受けて「ベルが鳴る」とき、それは表情以上のものです:本物のベルのように、プレーヤーの脳はさまざまな周波数で振動する可能性があることが、新しいモデリング研究でわかりました.この結果は、脳震盪が脳と頭蓋骨の衝突からではなく、組織の伸張と剪断に起因するという考えを裏付けるものであり、リンギングは脳の奥深くで引き起こされます。研究者は、最も有害な低周波振動を減衰させるように、より優れたヘルメットを設計できる可能性があることを示唆しています.
ミズーリ州セントルイスにあるワシントン大学の頭部衝撃を専門とする機械エンジニアの Philip Bayly 氏は、この研究は脳震盪のモデリングを大幅に簡素化する可能性があると述べています。 「私にとって、それが主なことです」と彼は言います。 「支配的なのは低周波であり、いくつかの低周波モードで脳をシミュレートできます。」
毎年、何十万人ものアメリカ人が、スポーツやその他のレクリエーション活動に参加しているときに脳震盪に苦しんでいます.しかし、科学者たちは、頭部への打撃がどのように損傷を引き起こすかを正確には知りません.一般的な概念では、車の運転手がダッシュボードに飛び込むように、頭蓋が突然停止し、脳が頭蓋にぶつかると脳震盪が発生します。しかし研究によると、脳震盪はより複雑であることが示唆されています。たとえば、スケートボーダーの頭が歩道に横向きにぶつかったときに発生する可能性のある頭蓋骨の激しい回転は、単純な突然の停止よりも多くの損傷を引き起こす可能性があります.臨床データはまた、脳震盪は脳の表面だけでなく、脳の半球間の橋である脳梁周辺の変形など、より深い内部の損傷と相関していることを示唆しています.
スタンフォード大学（米国カリフォルニア州パロアルト）の生物工学者であるデイビッド・カマリロらは、頭を打ったときに実際に何が起こるかをより正確に判断するために、スタンフォード大学のフットボール選手 31 人に加速度計とジャイロスコープを備えたマウスガードを装着させ、実際の打撃に関するデータを収集しました。研究者は、脳震盪を引き起こした 2 件を含む 189 件のゲーム内衝突に関するデータを使用して、主に死体に由来するさまざまな脳組織の材料特性に関するデータを使用して、脳が各衝突に対して機械的にどのように反応するかをシミュレートしました。
打撃を受けるたびに、コンマ数秒の間、複雑な方法で脳がぐらつくことを研究チームは発見した。研究者は、その運動を動的モード、つまり異なる周波数を持つ短命の運動パターンに分解しました。衝撃を受けると、脳は 1 秒あたり約 30 サイクルで最も激しく振動します。これは、ピアノの 2 番目に低い鍵盤とほぼ同じ周波数です。 .平均して、1 秒あたり 33 サイクル未満のモードは、脳に与えられる総エネルギーの 75% を吸収します。
さらに、より強い衝撃はより多くのモードを励起する、とニュージャージー州ホーボーケンにあるスティーブンス工科大学の脳バイオメカニクスの専門家であり、論文の著者である Mehmet Kurt は言う。さまざまなモードが脳のさまざまな部分の動きを強調し、隣接する領域がさまざまな周波数で振動する可能性があるため、それが鍵になる可能性があると彼は言います。たとえば、プレイヤーが意識を失った衝突のモデリングは、その衝突で脳梁が周囲の白質よりも高い周波数で振動したことを示しています。振動はほんの数サイクルしか持続しませんが、隣接する脳領域が異なる周波数で振動すると、それらの組織の伸張とせん断が増加するとカートは説明します。
分析は、脳震盪研究者にとって悪いニュースと良いニュースの両方である可能性がある、と Kurt は言う. 「一方で、私たちは「この問題はあなたが思っているよりも複雑だ」と言っています。一方で、私たちはそれを研究するための適切なツールを持っているかもしれないと言っている.例えば、ベイリーは、異なるモードの動きを比較することによって、研究者は損傷を受けやすい脳領域を特定するかもしれない.さらに、ヘルメットメーカーはベイリー氏は、最も有害な周波数を弱める設計を目指していると述べています。
ただし、この研究には注意点があると、アメリカ物理学会のウェブサイトでこの研究に関する解説を書いているベイリーは言います。打撃中に測定された加速度から脳の動きを導き出すために、研究者は、硬さやエネルギーを吸収する傾向などの脳組織の機械的特性の推定値に依存しています。倫理上の理由から、これらの特性は、損傷を誘発する条件下で生きている脳で測定することはできない、と Bayly は述べています。そのため、脳の材料の機械的特性は、「鋼鉄やアルミニウムほどよく知られていない」と彼は述べています。
その限界を克服するために、Bayly は、研究者が次の手法を低衝撃の衝突に適用することで検証することを提案しています。これは、実験室で被験者に安全に与えることができ、適切な条件下での生きた脳の材料特性を磁気から推定することができます。共鳴想像。モデリングをそのテストにうまく適用できれば、よりハードなヒットへの影響に対する信頼が高まるだろう、と彼は言います。 「それは非常に興味深く、おそらくまさに次のステップになるでしょう。」
