鸡蛋实验揭示了大脑在冲击下的混乱,以寻找有关脑震荡的答案

蛋黄旋转减速实验

在实验中,旋转减速的冲击会使蛋黄产生巨大的变形。

什么导致了脑震荡?是直接的平动冲击还是旋转冲击?这是维拉诺瓦大学吴倩红实验室目前正在探索的研究领域之一。

我们的大脑是由浸泡在水脑脊液(CSF)中的软物质组成的,在坚硬的头骨中。撞击硬头骨通过薄层的脑脊液在蛛网膜下腔传递到软脑物质。

物理的流体来自AIP出版社的Wu和共同作者Ji Lang和Rungun Nathan描述了研究另一个具有相同特征的系统,一个鸡蛋,来寻找答案。鸡蛋就像大脑,因为它柔软的蛋黄浸泡在坚硬的蛋壳里的液体蛋清中。

考虑到大多数脑震荡脑损伤的颅骨都不会破裂,吴想知道是否有可能在不打碎蛋壳的情况下打碎或使蛋黄变形。

蛋黄在冲击下的反应

A)蛋黄在平移作用下的反应。炮弹被锤子击中以实现平移加速度。B)旋转加速度作用下蛋黄的反应。容器被设置为即时旋转。C)旋转减速冲击下蛋黄的反应。容器的旋转速度被大幅降低,以造成对蛋黄的减速影响。资料来源:郎吉、吴倩红

研究人员用炒鸡蛋机做了一个简单的实验,他们可以看到,旋转力可以很容易地打破蛋黄,使它与蛋清混合。

根据这项工作背后的基本概念,一个软胶囊-膜状软物质-沐浴在包含的液体中。胶囊具有不渗透膜,将胶囊内的液体与外部分离。

外部集装箱可能受到两种类型的影响。平动冲击是直接撞击容器的冲击,而旋转冲击发生在外部容器加速或减速旋转时。当头盔不是圆形时,后一种情况就自然而然地出现了。例如,许多冰球头盔设计背后的一对加强脊。


用蛋黄做旋转减速实验,用炒鸡蛋机测量软物质的变形,寻找关于脑震荡的可能答案。资料来源:郎吉、吴倩红

研究人员发现了一些非常出乎意料的事情。直接的平移冲击不会引起鸡蛋变形,而旋转减速会引起巨大的蛋黄变形。这一发现揭示了当头部受到突然的外部冲击时,我们大脑的运动和变形。

“我们怀疑旋转,特别是减速旋转,对大脑物质的影响更大,”吴说。“在这一过程中,大脑物质的巨大变形会诱发神经元的拉伸,从而导致损伤。”

这一发现解释了为什么拳击手很可能会在被击中下巴时晕倒。

他说:“考虑到下巴是距离脖子最远的点,碰撞下巴可能会导致头部旋转加速/减速最大。”

脑震荡对公共健康来说是一个严重的问题,“目前还不清楚大脑是如何受伤的,以及如何避免这种伤害,”吴说。

“批判性思维,以及厨房里的简单实验,导致了一系列系统研究,以检查导致蛋黄变形的机制,”吴说。“我们希望将从中学到的经验应用到大脑生物力学的研究,以及包括液体环境中的软胶囊等物理过程的研究,比如红细胞。”

作为此类研究的首次,这项工作为理解膜状软物体对突然外部冲击的反应提供了一个新的视角。这种新视角会引起那些头盔设计者的兴趣。

参考:“怎样使蛋黄变形?”“液体环境中软物质变形的研究”,郎吉、南森Rungun和吴倩红,2021年1月19日,物理的流体
DOI: 10.1063/5.0035314

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