La decelerazione rotazionale causa la maggior parte delle deformazioni che provocano danni al cervello; è come ricevere un pugno sul mento
A un numero crescente di calciatori professionisti è stata diagnosticata una malattia neurodegenerativa chiamata encefalopatia traumatica cronica (CTE), probabilmente dovuta ai traumi cerebrali ripetuti causati dai colpi di testa effettuatati nel corso della loro carriera che, alla lunga, possono provocare danni al cervello.
Si tratta di una patologia comune in altri sport ad alto contatto come boxe, Muay Thai, kickboxing e hockey sul ghiaccio.
Secondo un nuovo articolo pubblicato su The Physics of Fluids, potremmo trovare indizi sulla fisica sottostante studiando la deformazione dei tuorli d’uovo. Questo potrebbe un giorno portare a una migliore prevenzione di tali traumi.
L’uovo è composto da un tuorlo immerso in un liquido bianco racchiuso in un guscio duro è un esempio di ciò che i fisici chiamano “materia morbida in un ambiente liquido“.
Una cosa simile succede, ad esempio, ai globuli rossi che scorrono attraverso i nostri sistemi circolatori e il nostro cervello, circondato dal liquido cerebrospinale (CBR) all’interno di un cranio duro.
Quanto un tipo di materia soffice si deforma in risposta agli impatti esterni è una caratteristica fondamentale, secondo il fisico dell’Università di Villanova Qianhong Wu ed i suoi coautori.
Sotto esame è stata la capacità dei globuli rossi di cambiare forma sotto stress (“deformabilità eritrocitaria“) che consente loro di passare attraverso minuscoli capillari, e innesca anche la milza rimuovere i globuli rossi le cui dimensioni, forma e deformabilità complessiva si sono alterate in modo eccessivo.
La lesione cerebrale traumatica, è legata a quanto il cervello si deforma in risposta ad un impatto.
La causa precisa della CTE è ancora oggetto di ricerca, ma la teoria prevalente sostiene che il trauma cerebrale ripetitivo può danneggiare i vasi sanguigni nel cervello, causando infiammazione e la crescita di grumi di una proteina chiamata Tau.
Alla fine quei grumi si diffondono provocando danni al cervello poiché uccidono le cellule cerebrali. Coloro che soffrono di CTE spesso sperimentano perdita di memoria, depressione e, nei casi gravi, demenza, tra gli altri sintomi.
Studi precedenti hanno dimostrato che la deformazione della materia morbida in un ambiente liquido si verifica in risposta a cambiamenti improvvisi nel campo del fluido, come il flusso di taglio o un cambiamento improvviso del percorso del flusso.
Wu et al. erano interessati al caso specifico della materia molle in un ambiente liquido all’interno di un contenitore rigido – come il tuorlo di un uovo, circondato da albume liquido, il tutto racchiuso in un guscio.
Si sono chiesti se fosse possibile rompere il tuorlo senza rompere il guscio, poiché è il caso della maggior parte delle commozioni cerebrali che provocano danni al cervello senza rompere il cranio.
Per rispondere a questa domanda, gli autori hanno impostato un semplice esperimento preliminare con un Golden Goose Egg Scrambler, un nuovo dispositivo da cucina che consente agli utenti di rimescolare un uovo direttamente nel guscio.
Il team di Wu ha applicato forze di rotazione per rimescolare l’uovo ed è rimasto incuriosito da come il tuorlo d’uovo si è deformato e si è rotto mentre il guscio è rimasto intatto.
Ciò li ha ispirati a condurre ulteriori esperimenti per raccogliere informazioni sulla fisica del flusso fondamentale dietro l’effetto.
Hanno acquistato uova fresche da un negozio di alimentari locale, hanno rimosso i tuorli e gli albumi, quindi li hanno messi in un contenitore rigido trasparente, per monitorare meglio la deformazione registrando l’intero processo con telecamere ad alta velocità.
Hanno poi costruito due apparecchi separati.
Uno con la funzione di somministrare il cosiddetto “impatto traslazionale”, cioè colpendo direttamente il contenitore, tramite un piccolo martello che cade da un binario di guida verticale, con una molla sul fondo che consente al contenitore di muoversi verticalmente.
Per questo esperimento è stato usato un accelerometro per misurare l’accelerazione del container.
Per la seconda configurazione, hanno collegato il contenitore a un motore elettrico per studiare due diversi tipi di impatto rotazionale:
impatto rotazionale accelerato e impatto rotazionale decelerante (cioè, quando il contenitore esterno sta accelerando o rallentando mentre ruota).
Hanno anche staccato le membrane che circondano i tuorli freschi e li hanno sospesi in capsule di Petri piene d’acqua, per studiare meglio come anche quelle membrane rispondono allo stress.
Gli autori sono stati alquanto sorpresi di scoprire che, in caso di impatto traslazionale, non avviene quasi nessuna deformazione del tuorlo. Invece, l’intero contenitore (e il suo contenuto) si muove come un unico corpo rigido.
Nel caso dell’accelerazione dell’impatto rotazionale, il team ha scoperto che il tuorlo, inizialmente di forma sferica, comincia ad allungarsi orizzontalmente per formare un ellissoide.
Il tuorlo mantiene una forma ellissoide stabile per diversi minuti se la velocità angolare resta costante.
I risultati più interessanti si sono verificati in caso di decelerazione dell’impatto rotazionale.
Qui, il tuorlo ha iniziato a deformarsi in modo significativo quasi immediatamente, espandendosi orizzontalmente e aumentando il suo raggio al centro, una deformazione sufficiente a danneggiare gravemente il tuorlo sotto stress prolungato.
“Sospettiamo che l’impatto rotazionale, soprattutto rotazionale decelerativo, provochi i maggiori danni al cervello“.
Per assicurarsi che questo non fosse un effetto del tuorlo come biomateriale, gli autori hanno condotto lo stesso esperimento con capsule molli sintetizzate immerse in una soluzione di lattato di calcio, racchiuse da una sottile membrana di alginato di calcio.
I risultati sono stati simili a quelli ottenuti in precedenza con i tuorli, confermando che “il meccanismo dominante che porta alla deformazione della materia molle in un ambiente liquido è il risultato di forze meccaniche invece che di risposte biologiche“, hanno scritto.
Sulla base di ciò, “sospettiamo che l’impatto rotazionale, in particolare la rotazione decelerativa, sia quello che provoca più danni al cervello“, ha detto Wu , e che la forza centrifuga probabilmente giochi un ruolo critico. “La grande deformazione della materia cerebrale durante questo processo induce lo stiramento dei neuroni e causa il danno“.
Questo potrebbe spiegare perché un pugile può essere messo KO da un forte colpo al mento. “Considerando che il mento è il punto più lontano dal collo, colpire il mento potrebbe causare la massima accelerazione / decelerazione rotazionale della testa“, hanno concluso gli autori.
“Il pensiero critico, insieme a semplici esperimenti, ha portato a una serie di studi sistematici per esaminare i meccanismi che causano la deformazione del tuorlo d’uovo“, ha detto Wu riguardo alle implicazioni delle loro scoperte.
“Ci auguriamo di poter applicare le lezioni apprese allo studio della biomeccanica cerebrale e di altri processi fisici che coinvolgono le capsule molli in un ambiente liquido, come i globuli rossi“.
DOI: Physics of Fluids, 2021. 10.1063 / 5.0035314.
