ماذا يحدث للدماغ عند الاصطدام المفاجئ؟ يمكن أن يحمل صفار البيض الإجابة

عدد متزايد من لاعبي كرة القدم المحترفين تم تشخيصه مع مرض التنكس العصبي يسمى اعتلال دماغي رضحي مزمن (CTE) ، على الأرجح نتيجة المعاناة من ارتجاج متكرر أو صدمة دماغية متكررة مماثلة على مدار حياتهم المهنية. إنه شائع أيضًا في الرياضات الأخرى ذات الاحتكاك العالي مثل الملاكمة والملاكمة التايلاندية والكيك بوكسينغ وهوكي الجليد. قد نجد أدلة حول الفيزياء الأساسية من خلال دراسة تشوه صفار البيض ، وفقًا لـ ورقة جديدة نشرت في فيزياء السوائل. هذا بدوره يمكن أن يؤدي في يوم من الأيام منع أفضل من هذه الصدمة.

يعد صفار البيض المغمور في بياض البيض السائل المغطى بقشرة صلبة مثالاً لما يسميه الفيزيائيون “المادة اللينة في بيئة سائلة”. تشمل الأمثلة الأخرى خلايا الدم الحمراء التي تتدفق عبر أنظمتنا الدموية وأدمغتنا ، محاطة بسائل النخاع الشوكي (CBR) داخل جمجمة صلبة. يعتبر مقدار تشوه نوع من المادة اللينة استجابة للتأثيرات الخارجية ميزة رئيسية ، وفقًا لعالم الفيزياء بجامعة فيلانوفا Qianhong Wu والمؤلفين المشاركين في هذه الدراسة الأخيرة. يشيرون إلى خلايا الدم الحمراء كمثال. إنها قدرة خلايا الدم الحمراء على تغيير شكلها تحت الضغط (“تشوه كرات الدم الحمراء“) يتيح لهم ذلك الضغط من خلال الشعيرات الدموية الدقيقة ، على سبيل المثال ، وأيضًا يثير الطحال لإزالة خلايا الدم الحمراء التي تغير حجمها وشكلها وقابليتها للتشوه بشكل كبير.

في حالة إصابات الدماغ الرضحية ، ترتبط بمدى تشوه الدماغ استجابةً للتأثير. لا يزال السبب الدقيق للاعتلال الدماغي الرضحي المزمن مسألة بحث مستمر ، لكن النظرية السائدة ترى أن الصدمات الدماغية المتكررة يمكن أن تدمر الأوعية الدموية في الدماغ ، مما يسبب الالتهاب ونمو كتل من بروتين يسمى تاو في النهاية انتشرت هذه الكتل في جميع أنحاء الدماغ مما أدى إلى قتل خلايا الدماغ. أولئك الذين يعانون من الاعتلال الدماغي الرضحي المزمن غالبًا ما يعانون من فقدان الذاكرة والاكتئاب والخرف في الحالات الشديدة ، من بين أعراض أخرى.

أظهرت الدراسات السابقة أن تشوه المادة اللينة في بيئة سائلة يحدث استجابة للتغيرات المفاجئة في مجال السوائل ، مثل تدفق القص أو التغيير المفاجئ في مسار التدفق. وو وآخرون. كانوا مهتمين بالحالة المحددة للمادة اللينة في بيئة سائلة والتي يتم وضعها أيضًا في حاوية صلبة – مثل صفار البيضة ، محاطًا ببياض بيض سائل ، وكلها مغطاة بقشرة. تساءلوا عما إذا كان من الممكن كسر صفار البيض دون كسر القشرة ، حيث أن معظم حالات الارتجاج يمكن أن تتلف الدماغ دون كسر الجمجمة.

للإجابة على هذا السؤال يا وو وآخرون. قم بإعداد تجربة أولية بسيطة باستخدام أ بيض الاوز الذهبي، جهاز مطبخ جديد يتيح للمستخدمين يتبارى بيضة الحق في القشرة. طبق فريق وو قوى دورانية لخلط البويضة وكانوا مفتونين بكيفية تشوه صفار البيض وكسره بينما ظلت القشرة سليمة. وقد ألهمهم ذلك لإجراء تجارب إضافية للحصول على نظرة ثاقبة لفيزياء التدفق الأساسية وراء التأثير.

قاموا بشراء بيض طازج من محل بقالة محلي ، وإزالة الصفار وبياض البيض ، ثم وضعهم في حاوية صلبة شفافة ، من الأفضل مراقبة التشوه من خلال تسجيل العملية بأكملها بكاميرات عالية السرعة. قاموا ببناء جهازين منفصلين. قام أحدهم بإدارة ما يسمى بـ “التأثير الانتقالي” – أي ضرب الحاوية مباشرة – عن طريق مطرقة صغيرة تسقط من سكة توجيه عمودية (انظر الشكل 1 أ في المعرض) ، مع وجود زنبرك في الجزء السفلي يسمح للحاوية بالتحرك عموديًا. استخدموا مقياس التسارع لقياس تسارع الحاوية.

بالنسبة للإعداد الثاني (انظر الشكل 1 ب في المعرض) ، قاموا بتوصيل الحاوية بمحرك كهربائي لدراسة نوعين من التأثير الدوراني: تسريع التأثير الدوراني وتباطؤ تأثير الدوران (أي عندما يتم تسريع أو إبطاء الجزء الخارجي المحتوي أثناء ذلك يدور). قاموا أيضًا بتقشير الأغشية المحيطة بالصفار الطازج وعلقوها في أطباق بتري مليئة بالماء ، من الأفضل دراسة كيفية استجابة هذه الأغشية أيضًا للإجهاد.

وو وآخرون. فوجئوا إلى حد ما عندما اكتشفوا أنه في حالة التأثير الانتقالي ، لم يكن هناك تقريبًا أي تشوه في الصفار. بدلاً من ذلك ، تم تحريك الحاوية بأكملها (ومحتوياتها) كجسم واحد صلب. في حالة التأثير الدوراني المتسارع ، وجد الفريق أن الصفار سيبدأ في شكل كروي ثم يبدأ في التمدد أفقيًا لتشكيل شكل بيضاوي. يمكن أن يحافظ الصفار على شكل إهليلجي ثابت لعدة دقائق إذا ظلت السرعة الزاوية ثابتة.

حدثت أكثر النتائج إثارة للاهتمام في حالة إبطاء تأثير الدوران. هنا ، بدأ الصفار يتشوه بشكل كبير على الفور تقريبًا ، ويتوسع أفقيًا ويزيد نصف قطره في المركز – وهو تشوه كافٍ لإلحاق ضرر شديد بالصفار تحت الضغط المستمر.

“نشك في أن تأثير الدوران ، وخاصة تأثير الدوران البطيء ، يكون أكثر ضررًا على مادة الدماغ.”

للتأكد من أن هذا لم يكن تأثيرًا أساسيًا للصفار كمادة حيوية ، يا Wu وآخرون. أجرى نفس التجربة باستخدام كبسولات طرية مركبة مغمورة في محلول لاكتات الكالسيوم ، ومحاطة بغشاء رقيق من ألجينات الكالسيوم. وحصلوا على نتائج مماثلة ، مؤكدين أن “الآلية المهيمنة التي تؤدي إلى تشوه المادة اللينة في بيئة سائلة هي نتيجة قوى ميكانيكية بدلاً من الاستجابات البيولوجية” ، كما كتبوا.

وبناءً على ذلك ، “نشك في أن التأثير الدوراني ، وخاصة تأثير الدوران التباطؤ ، يكون أكثر ضررًا على مادة الدماغ” ، قال وو، ومن المحتمل أن تلعب قوة الطرد المركزي دورًا مهمًا. “التشوه الكبير في مادة الدماغ خلال هذه العملية يؤدي إلى تمدد الخلايا العصبية ويسبب الضرر.” قد يفسر هذا سبب إصابة الملاكم بضربة قوية في الذقن. وخلص المؤلفون إلى أن “اعتبار أن الذقن هو أبعد نقطة عن العنق ، فإن الضرب على الذقن يمكن أن يتسبب في أعلى تسارع / تباطؤ في الرأس”.

“التفكير النقدي ، إلى جانب التجارب البسيطة داخل المطبخ ، أدى إلى سلسلة من الدراسات المنهجية لفحص الآليات التي تسبب تشوه صفار البيض ،” قال وو للآثار المترتبة على نتائجهم. “نأمل أن نطبق الدروس المستفادة منها في دراسة الميكانيكا الحيوية للدماغ بالإضافة إلى العمليات الفيزيائية الأخرى التي تنطوي على كبسولات ناعمة في بيئة سائلة ، مثل خلايا الدم الحمراء”.

DOI: فيزياء السوائل ، 2021. 10.1063 / 5.0035314 (حول DOIs).

صورة القائمة بواسطة Ji Lang / Qianhong Wu