【科學尬新聞】 從雞蛋研究 了解人腦衝擊

文/shihchitin |2021.06.25
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人們經常稱躲在象牙塔內,不問世事的學者、教授(譬如我)為「蛋頭學者」。姑且不論這個字的來源是因為學者整天讀書讀到禿頭,或者是諷刺頭殼底下的東西跟蛋黃蛋白一樣,我們的確可以拿「蛋」來研究你的「頭」,而且,還是性命交關的研究喔!圖/米各

文/shihchitin

人們經常稱躲在象牙塔內,不問世事的學者、教授(譬如我)為「蛋頭學者」。姑且不論這個字的來源是因為學者整天讀書讀到禿頭,或者是諷刺頭殼底下的東西跟蛋黃蛋白一樣,我們的確可以拿「蛋」來研究你的「頭」,而且,還是性命交關的研究喔!

人類的大腦泡在腦脊髓液裡面,具有緩衝的效果,外面則包覆堅硬的頭蓋骨,這樣的配置提供了絕佳的雙保險防護。不過當發生車禍、摔倒等意外,或是拳擊手以「交叉拳」互毆時,還是可能發生腦震盪或是其他的腦部傷害。

因此科學家當然希望能夠研究,當我們頭部受到巨大外力衝擊時,大腦會受到什麼影響,這對運動科學、運動員防護、頭部護具的開發也十分重要。但是,再怎麼重要的研究,你也不能抓個人來猛敲他的頭吧,就算是動物也不行!

蛋液測驗 模擬大腦



山不轉路轉,美國賓州維拉諾瓦大學(Villanova University)細胞生物力學與運動科學吳千紅教授想到,雞蛋除了蛋殼不堪一擊,不能跟頭蓋骨相提並論之外(廢話,不然小雞哪爬得出來);其蛋黃外表具薄膜包覆,且懸浮在蛋白中,跟人體大腦有其類似之處。

吳教授把雞蛋打進代替頭蓋骨的堅固透明容器中,並盡量不將蛋黃蛋白給攪在一起(以免變成跟蛋頭學者的腦袋一樣),然後開始對這個「懸浮在蛋白中的蛋黃」進行「壓力測試」,以蛋黃來模擬大腦受到撞擊的情境。



測驗 1

首先是「直線衝擊」。一個大鎚子(1.8kg)從1公尺高度落下,砸在這個裝了蛋的透明容器上,容器下墊了彈簧基座;透過加速度乘上質量後,就可知道受了多少力(F = ma的確是非常了不起的公式)。

這個直線衝擊所造成的瞬間最大加速度高達600g——「g」就是同學們課堂上所學的重力加速度9.8m/s2,在這麼大的衝擊力之下,蛋黃幾乎沒變形,蛋黃的緩衝效果非凡!



測驗 2

第二個測驗是「旋轉衝擊」:把裝了蛋的圓柱形容器裝上馬達,在1秒內轉速從0提升到每秒64轉,等達到穩定狀態後,再從1秒內減速到靜止。整個加速到減速停止的過程都以高速攝影記錄,結果發現蛋黃嚴重變形,尤其是在「減速」這個階段!

旋轉衝擊 高於直線



從雞蛋實驗可看出,我們的頭部結構幾乎可完美對應直線衝擊,但對於加速(或減速)旋轉那就沒輒了;在拳擊比賽中,「上勾拳」比「正拳」危險得多!打在下巴的上勾拳,會以脖子為支點產生巨大的力矩,讓頭部產生旋轉,這個過程可能會讓大腦受到極大的傷害;相對的,招呼在鼻子上的正拳,雖可能會把鼻子打斷,但這種「直線衝擊」對於大腦的傷害就小多了。

此研究發表2021年1月19日的《流體物理》期刊。

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