Vad orsakar hjärnskakning? Är det direkt translationell eller roterande påverkan? Detta är ett av forskningsområdena som för närvarande utforskas av Qianhong Wus labb vid Villanova University.

Våra hjärnor består av mjuk materia badad i vattnig cerebrospinalvätska (CSF) inuti en hård skalle. En påverkan på den hårda skallen överförs genom det tunna lagret av CSF i subarachnoidutrymmet till den mjuka hjärnmaterian.

I Vätskans fysik , Wu och medförfattarna Ji Lang och Rungun Nathan beskriver att studera ett annat system med samma egenskaper, ett ägg, att söka efter svar. Ett ägg liknar hjärnan, eftersom dess mjuka äggula badas i en flytande äggvita inuti ett hårt skal.

Med tanke på att i de flesta hjärnskaknings hjärnskador, skallen går inte sönder, Wu ville ta reda på om det var möjligt att bryta eller deformera äggulan utan att bryta äggskalet.

Forskarna gjorde ett enkelt experiment med en äggförvrängare, från vilken de kunde se att rotationskraften lätt kan bryta äggulan och få den att blandas med äggvitan.

När det gäller grundläggande koncept bakom detta arbete, en mjuk kapsel - membranbunden mjuk substans - badas i en vätska. Kapseln har ett ogenomträngligt membran, separera vätskan inuti kapseln från utsidan.

Två typer av stötar kan utsättas för den yttre behållaren. En translationell påverkan är en som träffar behållaren direkt, medan en rotationsstöt uppstår när den yttre behållaren accelereras eller bromsas roterande. Det senare uppstår naturligt inom sport när hjälmarna inte är runda. Överväga, till exempel, paret förstyvande åsar bakom många ishockeyhjälmar.

Forskarna upptäckte något ganska kontraintuitivt och mycket överraskande. Direkt translationspåverkan orsakar inte äggdeformation, medan rotationsretardation orsakar enorm deformation av äggulan. Detta fynd kastar ljus över rörelsen och deformationen av vår hjärna när huvudet utsätts för plötsliga yttre påverkan.

"Vi misstänker att rotation, särskilt retardationsrotation, påverkan är mer skadlig för hjärnans materia, " sade Wu. "Den stora deformationen av hjärnmaterial under denna process inducerar sträckning av nervceller och orsakar skadan."

Detta fynd förklarar varför boxare med stor sannolikhet kommer att svimma om de träffas på hakan.

"Med tanke på att hakan är den längsta punkten från nacken, att slå mot hakan kan orsaka den högsta rotationsaccelerationen/retardationen av huvudet, " han sa.

När det gäller hjärnskakningar, som är en allvarlig fråga för folkhälsan, "det är fortfarande oklart hur hjärnan skadas och hur man undviker sådana skador, sa Wu.

"Kritiskt tänkande, tillsammans med enkla experiment i köket, ledde till en serie systematiska studier för att undersöka mekanismerna som orsakar deformation av äggula, "Sa Wu." Vi hoppas kunna tillämpa lärdomarna av det på studier av hjärnbiomekanik såväl som andra fysiska processer som involverar mjuka kapslar i en flytande miljö, som röda blodkroppar."

Som den första studien i sitt slag, detta arbete ger ett nytt perspektiv för att förstå hur ett membranbundet mjukt föremål reagerar på plötsliga yttre påverkan. Detta nya perspektiv kommer att intressera dem som designar hjälmar.