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为解决人脑白质区域是否具有各向异性、方向依赖性机械响应这一争议问题，研究人员对人体脑组织进行大应变多模态实验。结果显示胼胝体有显著方向依赖性，脑干则不明显。该研究为脑白质材料建模提供依据，助力神经系统疾病诊疗。
在人体大脑的奥秘探索中，脑白质和脑干的机械特性研究一直是神经科学领域的重要课题。大脑因其柔软的特质，在受到机械外力冲击时极易受伤，其中弥散性轴索损伤（DAI）是常见的后果之一，多发于脑白质区域。为了预防此类损伤，通过计算机模拟来深入了解这些区域的机械性能显得尤为关键，例如利用有限元方法改进头盔设计，或辅助神经外科手术治疗策略的制定。
然而，当前在这一研究领域面临诸多挑战。一方面，对于哪些组织成分决定脑组织的机械行为尚不明确。另一方面，在实验研究中，关于脑白质是否应被视为具有方向依赖性行为的材料存在争议。不同的实验得出了不一致的结果，部分研究未发现脑白质有统计学意义的方向依赖性行为，而另一些研究则在胼胝体、脑干等区域观察到了方向依赖性趋势。但这些研究存在一些问题，比如对测试样本中纤维分布的假设可能有误，并且常用的纤维增强材料模型存在局限性，不能准确反映脑组织的复杂结构和区域异质性。此外，动物研究结果难以直接应用于人体组织。
在这样的背景下，德国 Friedrich - Alexander - Universit?t Erlangen - Nürnberg 的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们进行了首次针对人体脑组织的大应变多模态实验，涵盖压缩、拉伸和扭转剪切测试，重点研究了胼胝体和延髓（lower brain stem）沿两个不同方向的力学性能，并将这两个结构与其他脑白质（如放射冠、小脑白质）和脑干结构（如脑桥、中脑）进行对比，同时结合组织学分析，探究微观结构与力学性能之间的关系。该研究成果发表在《Acta Biomaterialia》上。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先，获取 13 例人体大脑样本，这些样本来自 3 名女性和 10 名男性捐赠者，样本提取自 7 个不同的脑白质和脑干区域。然后，使用 Discovery HR - 3 流变仪对样本进行机械测试，记录应力响应数据。在数据分析方面，运用 MATLAB 进行统计分析，计算应力 - 拉伸、应力 - 应变和应力 - 时间曲线，并通过 t 检验、ANOVA 检验等方法评估差异的统计学意义。最后，对样本进行组织学分析，通过染色观察细胞和纤维分布情况，利用图像分析软件进行定量分析。
研究结果如下：
- 不同白质结构的机械响应：大脑白质样本通常比脑干（不包括中脑）和小脑白质样本更软。胼胝体在所有白质区域中最为柔软，尤其是在压缩载荷下。小脑白质在除压缩外的所有加载模式下表现出最高的刚度，而在压缩时，延髓的刚度更高。脑干内部在扭转剪切加载下存在微小区域差异，在压缩时刚度从前向后增加，在拉伸时脑桥的刚度最高。此外，放射冠和皮质下白质在压缩和拉伸时的刚度差异在考虑应变率因素后可能更显著。在应力松弛方面，不同白质区域在压缩和剪切时的应力松弛行为相似，但胼胝体在剪切时的松弛程度明显大于其他区域。
- 胼胝体的方向依赖性响应：胼胝体在垂直于纤维方向压缩时产生的最大应力显著高于沿纤维方向压缩时；在拉伸时则相反，沿纤维方向的最大应力更高。在扭转剪切加载下，围绕主纤维方向的扭转产生的应力明显高于垂直于主纤维方向的扭转，且这种效应在较高剪切应变时更为明显。在应力松弛方面，纤维方向对胼胝体的压缩和剪切应力松弛行为影响较小，但在拉伸松弛测试中，沿主轴突方向拉伸的样本比垂直于主轴突方向拉伸的样本松弛程度更大，但该结果受测试设备分辨率限制，可靠性有待进一步验证。
- 脑干的方向依赖性响应：延髓在不同加载方向上未观察到统计学显著差异，但 Cohen's d 值表明在压缩和剪切中观察到的差异具有中等至较强的效应。与胼胝体不同，延髓在垂直于主纤维方向的扭转剪切中表现出略高的刚度，在拉伸时两种加载方向的响应几乎相同。此外，延髓在拉伸时的应力松弛程度明显低于压缩和剪切。
- 不同白质结构的组织学比较：组织学分析显示，大脑和小脑白质样本比脑干样本更均匀。放射冠和皮质下白质在微观结构上存在明显差异，放射冠中神经胶质细胞聚集在交织的轴突束之间，而皮质下白质中轴突束较少，神经胶质细胞分布更均匀。胼胝体中轴突、神经胶质细胞和血管高度对齐，而小脑和大脑白质样本则无明显的首选纤维方向。脑干样本中，中脑、脑桥和延髓的结构各具特点，如中脑白质与灰质交织，脑桥轴突成厚束且方向不同，延髓轴突成薄束且交织。定量分析表明，延髓和脑桥的白质百分比高于中脑，且细胞密度与样本刚度呈负相关。
研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了不同脑白质结构具有独特的机械行为，这与它们的微观结构差异密切相关。例如，胼胝体的柔软特性可能与其微观结构成分的高度对齐以及较细的轴突有关；小脑白质的高刚度可能与血管化程度、轴突口径等因素有关；脑干样本因含有灰质且结构复杂，其刚度受多种因素综合影响。在材料建模方面，研究结果表明不能简单地将现有模型应用于不同的脑白质区域，尤其是脑干。未来的建模应综合考虑细胞和轴突分布、细胞密度、轴突属性和血管化等因素，通过跨学科合作，利用体内结构数据，如扩散张量成像数据或脑血管信息，开发更准确的微观结构 - 力学模型。虽然该研究存在一些局限性，如样本形状不规则、样本数量有限、受死后时间间隔影响以及组织学分析的局限性等，但总体而言，该研究为理解人脑白质和脑干的力学特性提供了重要的实验依据，为预防脑损伤和改进神经外科治疗策略奠定了基础，推动了神经科学领域在这一方向的研究进展。
