脑组织灰白质界面力学特性及其在创伤性脑损伤中的作用研究

《Annals of Biomedical Engineering》：Mechanical Characterisation of Grey, White, and Interface Behaviour in the Brain

本研究针对创伤性脑损伤（TBI）中脑震荡损伤机制不明的难题，研究人员通过系统力学测试揭示了脑灰质、白质及其界面的区域差异性力学特性、粘弹性、体积变化及断裂行为，为构建精准的体外/计算机脑模型提供了关键力学参数。

　　

创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury, TBI）是重大的医疗负担，其中轻度创伤性脑损伤（如脑震荡）占绝大多数，但诊断不足现象普遍。尽管证据表明重复性脑震荡是侵袭性神经退行性变的风险因素，但脑震荡损伤大脑的机制尚不明确。当前的临床假说认为，损伤可能源于灰质（Grey Matter）/白质（White Matter）界面的剪切分层（shear delamination），但这一假说难以利用现有扫描技术进行验证。

研究人员解剖了三十五只新鲜羊脑，制备了约950个测试样本。对灰质和白质样本进行了无侧限压缩与拉伸、简单剪切、拉伸与剪切断裂、应力松弛、载荷速率变化以及压缩与拉伸下的体积分析。对灰白质界面样本进行了拉伸与剪切断裂测试。

研究结果显示，灰质和白质的力学特性在大脑皮层（cortex）/放射冠（corona radiata）与深部脑组织（deep brain）/胼胝体（corpus callosum）之间存在差异，且放射冠在剪切性能上表现出额外的变异。灰质的应力松弛（stress relaxation）幅度长期来看不依赖于应变率（strain rate），而白质的松弛行为则具有应变率依赖性。灰质和白质表现出不对称的可压缩性，其在拉伸下的体积变化大于压缩下的体积变化。断裂（Fracture）并非仅限于灰白质界面，在拉伸或剪切模式下，断裂同样发生在块状灰质和白质内部。灰质和白质在两种模式下的断裂起始应力（Fracture initiation stress）相近，但在界面处较低；不同组织间的延展性（ductility）差异反映在断裂能（fracture energy）上。

该研究揭示了脑组织本构行为（constitutive behaviour）的区域差异性，以及新颖的粘弹性（viscoelastic）、体积变化和断裂行为，这些发现对于体外（in vitro）和计算机（in silico）脑模型具有重要影响。