美国橄榄球运动员大脑的3d模型重建了撞击时刻

科学家模拟了一名美国足球运动员与另一名球员猛烈碰撞时大脑发生的变化。

这项研究由伦敦帝国理工学院的研究人员进行，目的是更详细地了解两者之间的联系创伤性脑损伤(TBI)和慢性创伤性脑病(CTE)。后者是痴呆症的一种形式，会导致一种叫做tau的蛋白质的长期积聚，与大脑的退化有关大脑组织健康状况每况愈下。

创伤性脑损伤(TBI)发生在外力作用于人体时大脑．那些经历过一次性创伤性脑损伤(如摩托车事故)的人，以及像足球运动员这样在球场上因碰撞而出现重复性创伤性脑损伤的人，都很容易患上创伤性脑损伤。科学家们认为，这两者之间存在联系影响以及tau沉积在大脑中积聚的地方。

现在，帝国理工大学的研究人员已经模拟了两名美式足球运动员在场上碰撞时脑组织的变形情况。他们还模拟了一个人在地面坠落时大脑会发生什么，以及摩托车事故对大脑的初始影响。他们将他们的3d高保真模型与97名外伤性脑损伤患者的MRI数据进行了比较，并对美国国家橄榄球协会(NFL)患有CTE的足球运动员的死后大脑数据进行了研究，这些数据之前捐赠给了美国的科学研究所进行分析。他们观察到大脑中的tau沉积，然后被诊断为CTE。

马兹达克·加贾里博士是伦敦帝国理工学院戴森设计工程学院的工程师，他是这项研究的联合负责人，他说:“在创伤性脑损伤中，击打的力量会震动大脑，大脑的质地类似于果冻。这种摇晃过程会使脑组织变形，并可能导致血管破裂和神经细胞损伤，以及更严重的并发症。通过结合工程原理和医学知识，我们已经能够复制“果冻”大脑在撞击中第一次变形的最初时刻。这为我们提供了新的见解。”

帝国理工大学的研究小组在他们所有的3d模型中显示，外伤性脑损伤造成的损伤在大脑表面皱褶的深处(称为脑沟)最大。先前关于CTE的研究表明，tau也在沟内积累。此外，研究小组还发现，撞击时头部受到打击的位置和严重程度可能对后来CTE发展时受伤的程度和模式产生重大影响。

研究人员说，在未来的研究中进一步澄清这些联系将是分析头部撞击的长期影响的关键。这可能会导致保护策略的新改进，包括新型头盔设计。

加贾里博士补充说:“目前评估头盔安全性的技术相当粗糙。我们的工作仍处于早期阶段，但我们相信它有希望更准确地模拟大脑在不同类型的撞击下是如何变形的。利用这些知识，我们可以改进头盔特定区域的设计，使它们能够承受与特定类型的运动相关的碰撞。我们还可以设计更能保护摩托车手的头盔，因为摩托车手在路上很容易受伤。最终，我们认为更好的防护服可能会预防CTE等长期疾病。”

损伤模型

该团队通过从真实事件中收集数据来进行建模。在美国橄榄球运动员的案例中，帝国理工团队使用的数据最初是由Biokinetics and Associates Ltd(加拿大)收集的。这些数据是从1996年到2001年的NFL比赛中收集的。这项研究共记录了182次碰撞。帝国理工大学的研究小组选择了一次他们认为在实验室中重建得很好的碰撞，并将这些数据输入到他们的模型中。

研究小组利用医疗记录重建了第二次受伤，这些记录详细记录了病人从地面上摔到大理石地板上的情况。他们用假人重现了坠落过程，并记录了撞击过程中头部的加速度。

交通研究实验室重现了摩托车手与轿车相撞的事故。仪器被安装在一个戴着与事故中佩戴的头盔相同的头盔的假头上，并记录了撞击的情况。撞击的位置和速度经过了调整，以接近于头盔外壳和内衬上看到的损伤。

三维建模技术

在每次重建过程中，传感器记录的信息被输入计算机上的3d模型，该模型是由一名34岁健康男性的核磁共振扫描创建的。该团队的软件使他们能够将头部像素化成100万个六面体元素和25万个四边形元素，这些元素代表了11种组织，包括头皮、头骨、大脑和沟沟等解剖特征。这给了他们高保真的能力，以详细关注在创伤性脑损伤的初始影响中受损最严重的部分。然后，他们将他们的模型与患有CTE的美国足球运动员的MRI数据和死后研究进行了比较，这些研究表明，碰撞时的机械力集中在患有痴呆症的足球运动员大脑中tau沉积的位置。

未来

伦敦帝国理工学院医学系的合著者大卫·夏普教授说:“我们对能够将头部损伤的早期和晚期影响联系起来感到非常兴奋。一个巨大的挑战是识别脑损伤后有痴呆症风险的患者，我们的研究提供了一种将这一过程中的关键事件联系起来的方法。我们将努力了解大脑变形是如何导致大脑退化的，因为这将是预防痴呆症的关键。”

这项研究由帝国理工学院研究奖学金计划、国家卫生研究所(NIHR)和医学研究理事会资助，并已发表在杂志上bob88体育平台登录大脑．未来的工作将探讨这项研究对头盔设计的影响。

研究人员计划使用计算机模型来优化运动头套的设计，重点关注两项主流运动，美式足球和骑马。

该团队还将与帝国理工大学皇家英国军团爆炸研究中心的研究人员合作，探索爆炸对脑组织的影响。