ماذا يحدث للدماغ أثناء الاصطدام المفاجئ؟ قد يحتوي صفار البيض على الإجابة

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

يعد صفار البيض المغمور في بياض البيض السائل والمغطى بقشرة صلبة مثالاً على ما يسميه الفيزيائيون “المادة اللينة في بيئة سائلة”. تشمل الأمثلة الأخرى خلايا الدم الحمراء التي تنتشر في أنظمتنا الدموية والدماغ ، ويحيط بها السائل النخاعي (CBR) داخل جمجمة صلبة. يعتبر مدى تشوه نوع من المادة اللينة استجابة للتأثيرات الخارجية سمة رئيسية ، وفقًا لعالم الفيزياء الجامعي فيلانوفا تشيان هونغ وو والمؤلفون المشاركون في الدراسة الأخيرة. يستشهدون بخلايا الدم الحمراء كمثال. إنها قدرة خلايا الدم الحمراء على تغيير شكلها تحت الضغط (“تشوه كرات الدم الحمراء“) مما يسمح لهم التسلل الشعيرات الدموية الدقيقة ، على سبيل المثال ، وأيضًا يثير الطحال لإزالة خلايا الدم الحمراء التي تم تغيير حجمها وشكلها وقابليتها للتشوه بشكل كبير.

في حالة إصابات الدماغ الرضحية ، ترتبط بتشوه الدماغ استجابةً للتأثير. لا يزال السبب الدقيق للاعتلال الدماغي الرضحي المزمن مسألة بحث مستمر ، لكن النظرية السائدة تؤكد أن إصابات الدماغ الرضحية المتكررة يمكن أن تلحق الضرر بالأوعية الدموية في الدماغ ، مما يتسبب في التهاب ونمو كتل من بروتين يسمى تاو في النهاية ، تنتشر هذه الكتل في جميع أنحاء الدماغ ، مما يؤدي إلى قتل خلايا الدماغ غالبًا ما يعاني الأشخاص المصابون بالاعتلال الدماغي الرضحي المزمن 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 الرخوة في بيئة سائلة محاطة أيضًا بوعاء صلب – مثل صفار بيضة ، محاطًا ببياض بيض سائل ، وكلها محاطة بقشرة. تساءلوا عما إذا كان من الممكن كسر صفار البيض دون كسر القشرة ، حيث أنه في معظم حالات الارتجاج يمكن أن يتلف 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 مباشرة في القشرة. طبق فريق وو قوى دورانية لخلط البويضة وكانوا مفتونين بكيفية تشوه صفار البيض وانكساره مع بقاء القشرة سليمة. دفعهم هذا إلى إجراء تجارب إضافية لاكتساب نظرة ثاقبة في الفيزياء الأساسية للتدفقات التي تقف وراء التأثير.

اشتروا بيضًا طازجًا من محل بقالة محلي ، وأزالوا صفار البيض وبياضه ، ثم وضعوه في حاوية صلبة شفافة ، لمراقبة التشوه بشكل أفضل من خلال تسجيل العملية بأكملها بكاميرات عالية السرعة. . قاموا ببناء جهازين منفصلين. قمنا بإدارة ما يسمى “تأثير متعدية” – أي ضرب الحاوية مباشرة – عبر مطرقة صغيرة تسقط من سكة توجيه عمودية (انظر الشكل 1 أ في المعرض) ، مع الربيع في الجزء السفلي مما يسمح للحاوية بالتحرك عموديًا. استخدموا مقياس التسارع لقياس تسارع الحاوية.

بالنسبة للتكوين الثاني (انظر الشكل 1 ب في المعرض) ، قاموا بتوصيل الحاوية بمحرك كهربائي لدراسة نوعين من تأثير الدوران: تسريع التأثير الدوراني وتباطؤ تأثير الدوران (أي (على سبيل المثال ، عندما يتم تسريع المحتوى الخارجي أو إبطائه أثناء دورانه). قاموا أيضًا بتقشير الأغشية المحيطة بالصفار الطازج وعلقوها في أطباق بتري المليئة بالماء ، لدراسة كيفية استجابة هذه الأغشية للإجهاد بشكل أفضل.

وو وآخرون. فوجئوا إلى حد ما عندما اكتشفوا أنه في حالة حدوث تأثير متعد ، لا يوجد تقريبًا أي تشوه في الصفار. وبدلاً من ذلك ، تحركت الحاوية بأكملها (ومحتوياتها) كجسم واحد صلب. في حالة حدوث تأثير دوراني متسارع ، وجد الفريق أن الصفار بدأ في شكل كروي ثم بدأ في التمدد أفقيًا لتشكيل شكل بيضاوي. يمكن أن يحافظ اللون الأصفر على شكل بيضاوي ثابت لعدة دقائق إذا ظلت السرعة الزاوية ثابتة.

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

“نشك في أن تأثير الدوران ، وخاصة دوران التباطؤ ، هو أكثر ضررًا على مادة الدماغ.”

للتأكد من أن هذا لم يكن تأثيرًا أساسيًا للون الأصفر كمواد حيوية ، وو وآخرون. نفس التجربة باستخدام كبسولات طرية مركبة مغمورة بمحلول 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 لقوى ميكانيكية بدلاً من الاستجابات البيولوجية” ، كما كتبوا.

على هذا الأساس ، “نشك في أن تأثير الدوران ، ولا سيما دوران التباطؤ ، هو أكثر ضررًا على مادة الدماغ” ، قال وو، وربما تلعب قوة الطرد المركزي هذه دورًا مهمًا. “يتسبب التشوه الكبير في مادة الدماغ أثناء هذه العملية في تمدد الخلايا العصبية وتسبب الضرر.” قد يفسر هذا سبب فقدان الملاكم للوعي بضربة قوية في الذقن. وخلص الباحثون إلى أنه “نظرًا لأن الذقن هو أبعد نقطة عن الرقبة ، فإن ضرب الذقن يمكن أن يتسبب في أعلى تسارع / تباطؤ في دوران الرأس”.

“التفكير النقدي ، مقرونًا بتجارب طبخ بسيطة ، أدى إلى سلسلة من الدراسات المنهجية لفحص الآليات التي تسبب تشوه صفار البيض ،” قال وو الآثار المترتبة على النتائج التي توصلوا إليها. “نأمل في تطبيق الدروس المستفادة في دراسة الميكانيكا الحيوية للدماغ بالإضافة إلى العمليات الفيزيائية الأخرى التي تتضمن كبسولات طرية في بيئة سائلة ، مثل خلايا الدم الحمراء.”

DOI: Fluid Physics ، 2021. 10.1063 / 5.0035314 (حول DOIs).

صورة الإعلان بواسطة Ji Lang / Qianhong Wu