Вращение яичных желтков намекает на то, как сотрясение мозга искажает мозг
Как вы изучаете сотрясения мозга, не раскалывая черепа? Попробуйте использовать скремблер для яиц.
В новом исследовании, опубликованном 19 января в журнале Физика жидкостей, ученые черпали вдохновение в том, как яичные скремблеры смешивают яичные белки и желтки, не раскалывая скорлупу. Устройство просто вращает яйцо без трещин на сверхвысоких скоростях, и эта сила передается жидкости внутри, выталкивая желток. Точно так же при большинстве сотрясений мозга череп не трескается, но мозг все еще поврежден, считают ученые.
Отказ от ответственности: ни один человеческий мозг не был задействован при проведении этого исследования. Вместо этого исследователи использовали яичные желтки в качестве модели человеческого мозга.
«Я бы сказал, что это очень безумное сравнение», – сказал старший автор Цяньхун Ву, директор Лаборатории клеточной биомеханики и спортивных наук в Университете Вилланова в Пенсильвании. «Это совершенно разные системы с точки зрения свойств материала». Во-первых, яичные желтки содержат только одно вещество – желток, в то время как мозг содержит множество типов клеток, организованных в сложные структуры, – сказал он.
Тем не менее, яйца и человеческий мозг имеют несколько ключевых сходств, которые могут дать некоторое представление о фундаментальной физике сотрясений мозга, сказал он.
Глядя на мозг, мы видим гибкий орган, окруженный жидкостью, называемой спинномозговой жидкостью (CSF), и заключенный в жесткий контейнер – череп. Яичный желток также состоит из мягкого, мягкого вещества, окруженного жидкостью и заключенного в твердый контейнер – скорлупу. Ву и его коллеги заметили эти сходства и побежали с ними, планируя эксперименты, чтобы увидеть, как желток будет деформироваться под действием разных сил. Они протестировали два вида ударов, наблюдаемых при сотрясениях мозга, включая вращательный удар, который заставляет череп вращаться, и поступательный удар, который только перемещает череп в пространстве, не вращая его.
Их лабораторные эксперименты начались с похода в продуктовый магазин, где они купили свежие куриные яйца. Чтобы наблюдать, как сила изменяет желток, они выбросили яичную скорлупу и поместили белки и желтки в прозрачный контейнер; таким образом они могли наблюдать внутренности яйца непосредственно, сохраняя их внутри жесткого сосуда. Чтобы проверить поступательное воздействие, команда сбросила на контейнер молоток весом 4 фунта (1,7 кг) с высоты 3,2 фута (1 метр) над ним; В своих экспериментах с вращательным ударом они вращали контейнер с помощью электродвигателя со скоростью до 64 оборотов в секунду.
Команда записала эти тесты с помощью высокоскоростной камеры и обнаружила, что вращательное воздействие привело к резкой трансформации желтка, в то время как поступательное воздействие не вызвало видимых изменений. Когда контейнер начал вращаться, сферический желток растянулся горизонтально, образуя «эллипсоид». Но наиболее сильное изменение произошло, когда скорость вращения замедлилась. По мере того, как скорость вращения падала, центр желтка сдавливался внутрь, переводя горизонтальный эллипсоид в вертикальную плоскость. За одну секунду округлая форма превратилась в плоский диск.
Когда вращение полностью прекратилось, желтку потребовалось около минуты, чтобы расслабиться и превратиться в сферу. «Эта большая деформация, очевидно, может вызвать серьезные повреждения желтка», – отмечают авторы.
В верхнем ряду изображений показан желток на протяжении всего эксперимента с падением молотка. В среднем ряду показан желток при ускоренном вращении, где он становится эллипсоидом. В нижнем ряду показано замедление вращения. (Изображение предоставлено: Цзи Ланг и Цяньхун Ву)
Вывод? Экстремальные удары вращения могут быть столь же разрушительными для мозга. Например, когда боксеров бьют по подбородку, их головы быстро откидываются назад на шее, а затем быстро замедляются, когда голова не может откинуться дальше. Это может объяснить, почему боксеры легко теряют сознание от таких ударов, отметил Ву.
В то время как вращательное воздействие нанесло ущерб желтку, эксперимент с падением молота не вызвал никаких изменений. «Это очень удивительно, это противоречит здравому смыслу», потому что можно ожидать, что сила будет передаваться через твердый контейнер и яичные белки в желток, – сказал Ву. Этот удивительный результат можно объяснить тем фактом, что яичные белки и желтки имеют очень похожую плотность, поэтому при ударе молотка они могут двигаться вместе как единое целое, сказал он. Это предотвратит изменение формы желтка.
Поскольку плотность мозга отличается от плотности окружающей спинномозговой жидкости, сильный удар по голове, вероятно, немного исказит мозг. Но, судя по их экспериментам, мозг может быть более чувствительным к ударам вращения, сказал Ву.
При сотрясении мозга поступательные и вращательные удары происходят одновременно. «Вы действительно не можете полностью отделить одно от другого… Это всегда комбинация того и другого», – сказал Ву.
Теперь, когда Ву и его коллеги разработали физику сотрясений в яйцах, они планируют проверить свои результаты на мозге. Лаборатория недавно построена искусственный мозг, смоделированный на основе сканирования человеческого мозга и окруженный прозрачным черепом, который они проверили в экспериментах по ударам. Команда также изучает мозг, полученный от мышей, но Ву сказал, что в будущем они планируют работать с мозгом живых животных.
Они также объединились с врачами университетской больницы Томаса Джефферсона, чтобы они могли сравнить результаты лабораторных экспериментов с данными пациентов, перенесших черепно-мозговую травму, добавил он. Это должно помочь связать точки между физикой, наблюдаемой в яйцах, и реальными травмами, полученными людьми.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
