创伤性脑损伤的神经科学

美国疾病控制和预防中心估计有多达170万人美国人每年都会经历创伤性脑损伤(TBI),其中超过15%被认为与运动有关。尽管这些损伤的发生率相对较高,然而,我们似乎才刚刚开始认识到它们对大脑的真正影响程度。人们意识到以前未被认识到的创伤性脑损伤和重复创伤性脑损伤的后果,以及意识到创伤性脑损伤可能比以前认为的更频繁地发生在高强度运动中,如美式足球,这激发了人们对更好地理解这些损伤的神经生物学后果的极大兴趣。

类型的创伤性脑损伤

创伤性脑损伤可分为急性(指近期损伤及其短期影响)和慢性(指反复创伤性脑损伤累积的神经生物学影响)两种。最常见的急性创伤性脑损伤是轻度创伤性脑损伤,也称为脑震荡。脑震荡不会导致任何明显的脑部病变(如出血、明显的结构性损伤),但会导致各种症状,包括头晕、恶心、头痛、注意力和记忆力受损,甚至失去意识。症状的可识别性可能非常明显,也可能非常细微,如果没有正式的评估就很难发现。对一些人来说,这些症状会在受伤后几分钟到几小时内消失。然而,大约40-80%的脑震荡患者会发展为脑震荡后综合症,症状会持续数天或数周。至少10%的人可能会发展为持续性脑震荡后综合征,其症状会持续3个月以上,甚至可能持续一年以上。

当然,急性创伤性脑损伤也可能比典型的脑震荡严重得多,并可能导致挫伤(擦伤)和/或脑组织撕裂以及潜在的颅内出血(即颅骨出血)。这种严重程度的急性创伤性脑损伤被称为灾难性脑损伤,可能导致死亡。在这些病例中,最常见的死亡原因是硬膜下血肿,这是两个硬脑膜和大脑。这种积累会使颅内压上升到危险的水平,从而导致脑组织损伤(和死亡)。

反复的创伤性脑损伤(TBI)可能会导致大脑的累积损伤,即慢性创伤性脑病(CTE),这可能发生在职业橄榄球运动员身上。这长期以来,综合症一直被认为是拳击生涯中的一种危险这使得它最初被称为“拳打醉综合症”,然后才被赋予更正式的名称员痴呆在1930年代。这种疾病与痴呆它与认知能力下降、颤抖和其他运动问题,以及使说话声音含糊不清的言语困难(因此在最初描述该综合征时提到了醉酒)有关。CTE的明显症状往往在反复头部创伤后很长时间才出现(例如,拳击手已经退休),通常出现在中年,但大约1/3的CTE病例病情加重随着时间的推移。

病理生理学的脑外伤

创伤性脑损伤的脑损伤可分为局灶性和弥漫性。局部损伤通常发生在直接撞击头部/大脑的特定部位后,造成肉眼可见的损伤。因此,局灶性损伤往往更严重,包括挫伤、撕裂和出血等损伤。另一方面,弥漫性损伤在严重和较轻形式的创伤性脑损伤中都存在,如果不使用先进的神经成像技术,一般是看不到的。弥漫性损伤是由于突然撞击造成的头部快速加速和减速,导致脑组织被拉伸和撕裂而造成的。在本文中,我将主要关注弥漫性损伤,因为它们是一种损伤,随着时间的推移,其影响会随着重复损伤而累积——即使损伤本身产生的症状相对较轻。因此,虽然局灶性损伤被认为是立即引起关注的原因,但例如,弥漫性损伤可能在运动员职业生涯的整个过程中影响运动员,而没有使其衰弱的症状,只会在职业生涯结束后导致过早的认知能力下降。

脑弥漫性轴索损伤

弥漫性轴索损伤(DAI)是创伤性脑损伤中常见的一种弥漫性损伤。它涉及到物理撕裂轴突这种结构可以沿神经元传递电信号,使神经元相互交流。如果轴突撕裂足够严重,它可以引发一系列的事件,首先是重要的细胞成分(如蛋白质、细胞器)的运输中断细胞生化需氧量神经元的Y。这些物质沿着轴突运输,然后在轴突内聚集成团,产生的肿胀进一步破坏了细胞的完整性,直到轴突开始分裂在那些发生肿胀的地方。接下来是沃勒变性这一过程描述了从细胞体中分离出来的轴突部分的完全降解。根据伤势的严重程度,DAI可能会导致从意识丧失到昏迷的各种影响。DAI的程度也一样与脑震荡后综合症症状的严重程度相关吗。然而,已经有人提出轴突变性并不局限于创伤性脑损伤后的一段时间可能持续多年后的伤害

影响神经系统的影响

由于DAI导致轴突完整性的破坏,也有神经化学的广泛变化轴突的退化至少在一定程度上促成了这一过程。随着轴突的退化,穿过神经元膜的离子流动就会失调,导致神经递质(如兴奋性神经递质)的过量释放谷氨酸。谷氨酸释放增加引起广泛的神经元兴奋;大脑的反应是使用大量的能量试图(不成功地)控制这种夸张的神经活动。然而,没有足够的葡萄糖来完全满足这种能量需求,大脑诉诸于一种产生短期能量的方法,导致复合乳酸盐的积累。乳酸堆积会导致额外的神经元功能障碍这可能使神经元更容易受到另一次损伤的影响。

当谷氨酸与神经元上的受体结合时,它会导致钙离子进入细胞。由于脑外伤后谷氨酸水平高,钙流入神经元过多。这会导致线粒体内钙的增加吗,以及随后线粒体能量产生的中断。在严重的情况下,细胞内钙的积聚可促使神经元启动凋亡过程(例如,由于细胞内钙积累的负代谢后果,神经元发生“细胞自杀”)。

神经原纤维缠结和淀粉样斑块

神经原纤维缠结和聚集β淀粉样蛋白蛋白质变成不溶性团簇淀粉样蛋白或老年斑都是神经退行性疾病和特征阿尔茨海默病。两者都是在经历过多次创伤性脑损伤的人的大脑中。目前还不清楚缠结和斑块在神经退行性变中究竟扮演了什么角色,但许多人相信这一点它们是一种保护机制的一部分,而不是疾病传播的推动者。无论如何,它们在创伤性脑损伤后的外观会导致反复经历创伤性脑损伤的人的大脑与患有神经退行性疾病的人的大脑相似。

神经原纤维缠结是一种叫做τ,它通常参与细胞成分的稳定细胞骨架被称为微管。在神经退行性疾病期间,tau蛋白会发生一种被称为过度磷酸化的变化,这破坏了tau蛋白与微管结合的能力。过度磷酸化的tau蛋白在神经元的细胞质中积累成不可分解的缠结。神经原纤维缠结是否与神经变性的进展有关或者是细胞对压力的反应侮辱还不清楚。不管怎样,它们都是大脑创伤和神经退化的典型标志;在阿尔茨海默病缠结的数量已经被发现与痴呆症的严重程度相关。CTE患者大脑中出现的缠结是在结构和化学组成上与阿尔茨海默病患者身上看到的缠结相似

阿尔茨海默病的另一个标志性特征是淀粉样蛋白簇的发展,即淀粉样斑块。淀粉样蛋白的非病理功能不是很清楚,但在细胞外空间甚至在健康的大脑中与神经纤维缠结不同,淀粉样斑块在神经元外部和周围形成。与神经原纤维缠结相似,淀粉样斑块也可以在CTE患者的大脑中看到。就像神经纤维缠结的情况一样,我们不确定淀粉样斑块的形成是导致神经退化的原因,还是缓解神经退化的失败尝试。然而,研究发现淀粉样蛋白及其前体,淀粉样蛋白前体蛋白,在创伤性脑损伤后迅速积累(数小时内)累积的程度与损伤的严重程度相关

危险的影响

因此,当创伤性脑损伤发生时,会对大脑产生重大影响,其中一些类似于我们在最具破坏性的神经退行性疾病中看到的神经生物学变化。更好地了解创伤性脑损伤及其后果使得重复头部损伤的潜在影响的一个重要话题与体育运动有关的讨论,因为它是变得意识到受欢迎的运动像美式足球(通常是由青少年和青少年)可能会对健康构成风险的参与者。例如,对职业足球运动员的研究给出了不祥的结果;在一项大型研究中,91名职业足球运动员的大脑被捐献用于尸检,87例有CTE迹象

对其他经常头部碰撞的运动也有很多担忧。拳击和综合格斗显然是罪魁祸首。关于拳击固有风险的可用数据是广泛的;关于综合格斗的文献比较有限,可能是因为它在相对较近的时间里越来越受欢迎。然而,人们可以假设(至少在专业水平上),由于涉及的频繁的头部撞击,所有格斗运动的风险程度存在一些重叠,并且专注于格斗运动的研究结果普遍令人担忧。例如,一项研究发现调查显示87%的前拳击手有脑功能障碍CAT扫描脑电图,或神经心理测试。另一项神经成像研究的结果来自100名拳击手和综合格斗艺术家发现76%的人有创伤性脑损伤的脑异常这些异常的严重程度与他们职业生涯中打架的次数有关。当我们考虑……的结果时,这应该是不足为奇的一项关于职业重量级拳击手出拳冲击力的研究(前世界冠军弗兰克·布鲁诺)所产生的力相当于一个13磅重的木槌以每小时20英里的速度摆动所产生的力。

然而,头部受伤和创伤性脑损伤的风险并不局限于那些当我们想到频繁的头部撞击时很容易想到的运动。例如,篮球和足球等运动的风险也相对较高,有些风险存在于从棒球到啦啦队等体育活动中。有了这些信息,就很容易理解为什么像美国国家橄榄球联盟(National Football League)这样的组织一直在关注新规则旨在让玩家瞄准他人的头部,为什么儿童运动中头部损伤已经成为全国性的话题。随着我们更多地了解创伤性脑损伤的神经生物学后果,很可能对这些损伤的潜在危害的担忧将继续增加,而不是减少。然而,人们可以抱有希望,随着我们对创伤性脑损伤知识的不断增加,我们治疗和管理此类损伤后遗症的能力将会提高,因此我们可能有一天能够减轻创伤性脑损伤的长期后果。

(2012)。外伤性脑损伤的神经病理学和神经生物学神经元,76(5),886-899 Doi:10.1016 / j.neuron.2012.11.021