脳は突然の衝撃を受けるとどうなってしまうのか？卵黄で実験するとこうなる

頭に物理的な衝撃を受けることが多いボクシングやサッカー、アメフトの選手は、「慢性外傷性脳症」、俗にいうパンチドランカーを患うケースがよくあります。実際に外部から物理的な衝撃を受けた時に、頭がい骨の中にある脳がどんな感じで揺さぶられてしまっているのかを、卵の黄身を使って検証した論文が発表されました。

How to deform an egg yolk? On the study of soft matter deformation in a liquid environment: Physics of Fluids: Vol 33, No 1
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0035314

Eggs reveal what may happen to brain on impact | EurekAlert! Science News
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-01/aiop-erw011321.php

What happens to the brain on sudden impact? Egg yolks could hold the answer | Ars Technica
https://arstechnica.com/science/2021/01/egg-yolks-can-shed-light-on-traumatic-brain-injury-study-finds/
頭がい骨の中は脳脊髄液で満たされており、脳はその中に浮かんでいる状態です。これまでの研究では、軟らかい物質が液体の中で変形する場合、液体の流れが急激に変化して起こることが示されていました。アメリカのビラノバ大学のQianhong Wu氏が率いる研究チームは新たに「頭がい骨を割ることなく脳を損傷する可能性があるのかどうか」について、硬い殻の中で卵白の中に浮かぶ卵黄を使って調査しました。

これまでの研究では、軟らかい物質が液体の中で変形する場合、液体の流れが急激に変化して起こることが示されていました。研究チームは「頭がい骨を割ることなく脳を損傷する可能性があるのかどうか」について、硬い殻の中で卵白の中に浮かぶ卵黄を使って調査しました。

研究チームの用意した実験装置が以下。Aの装置は、(a)の容器の中に卵白と卵黄が入っており、(c)の重りが上から落ちることで衝撃を与えるというもの。Bの装置は、(g)のモーターで卵白と卵黄の入った容器を回転させるというものになっています。

実験をしてみたところ、垂直に衝撃を与えるAの装置では、以下の画像のように卵黄はほとんど変形せず、だ円形の形状を維持しました。

しかし、回転の衝撃を与えるBの装置では、卵黄はすぐに大きく変形し、一度水平方向に延びたあと、鉛直方向に半径が大きくなりました。どんな感じに変形するのかは、以下の写真を見るとよくわかります。

また、Bの装置内で卵黄が変形する様子を収めたムービーは以下で見ることができます。

Rotational deceleration experiment with egg yolk - YouTube

研究チームは、この変形が卵黄だけの特性ではないことを確認するために、人工イクラに使われるアルギン酸カルシウムのカプセルを乳酸カルシウム溶液に沈めて同じ実験を行ったところ、卵黄と同じ結果が得られたとのこと。このことから、研究チームは「液体環境で軟らかい物質の変形につながる主要なメカニズムは、生物学的な反応ではなく機械的な力の結果である」と論じました。さらに「回転、特にゆっくりした回転による遠心力は脳に対して有害な衝撃となる」と主張しています。

Wu氏は、「たとえばボクサーがあごに鋭い打撃を与えた時、あごが首から最も遠い点となることを考えると、頭が回転する速度の加減が最も大きくなる可能性があります」とコメントし、パンチの直線的な衝撃よりも、パンチで頭が左右に振られることによる衝撃の方が脳への影響が大きいと指摘しています。また、Wu氏は「この研究は脳だけではなく、血液中の赤血球の研究にも応用できます」とコメントしました。