Удары головой в футболе повреждают мозг еще до того, как голова начнет двигаться

Фото из открытых источников

Ученые, изучающие риск для головного мозга от ударов головой в футболе, часто сосредотачиваются на скорости и силе. Чем быстрее летит мяч, тем сильнее он отскакивает. Эти предположения легли в основу многолетних дебатов о том, какие футбольные мячи считаются самыми безопасными.

Исследование, проведенное в Англии, выявило другой тип событий, скрывающийся внутри того же столкновения, — событие, которое регистрируется в лобной части мозга еще до того, как голова вообще сдвинется с места. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers: Journal of Sports Engineering and Technology. 

Исследователи из Института спортивных технологий Лафбороского университета решили выйти за рамки обычных статистических данных. Большинство исследований ударов головой в футболе основаны на использовании датчиков, установленных снаружи черепа, или на манекенах для краш-тестов. Эти инструменты отслеживают, с какой скоростью резко дергается голова и как шея поглощает удар. Зачастую они не учитывают то, что происходит внутри самого мозга. 

Ведущий автор исследования Иеуан Филлипс и профессор Энди Харланд, который занимается изучением влияния футбола на игру уже 20 лет, использовали другой подход. Они изготовили искусственную голову — оболочку черепа с гелем, имитирующим мозг, — и вставили в полость гидрофон.

Этот датчик не отслеживает движение, а внимательно прислушивается к волнам давления в головном мозге. Устройство зафиксировало резкий скачок давления, распространяющийся по гелю к передней части мозга при каждом ударе мяча. Он достигал пика в течение микросекунд после контакта.

На графике это выглядит как четкий пик. Отсутствуют шумы и медленное гудение, вызванное движением головы. Это всего лишь быстрая волна, исходящая из места удара, регистрируемая с частотой 10 миллионов показаний в секунду. Именно здесь команда обнаружила нечто неожиданное.

Волна накатывает еще до того, как голова успевает начать двигаться – до начала ускорения и до напряжения мозга. Это произошло быстрее, чем при любом стандартном измерении. До этого исследования никто не измерял импульс давления непосредственно внутри модели удара головой в футбольном мяче. Датчики ускорения не были предназначены для измерения этого сигнала.

В отдельных исследованиях, посвященных травмам головного мозга, была выявлена связь между резкими скачками давления внутри черепа и подобными явлениями, наблюдаемыми при воздействии взрывной волны на солдат, что приводит к повреждению клеток и сосудов.

В статье, в которой использовались выращенные в лаборатории органоиды головного мозга, было установлено, что одни только ударные волны могут нарушать активность клеток головного мозга. Исследование, проведенное в Лафборо, не может подтвердить аналогичные эффекты, но в нем были зафиксированы схожие показатели энергии давления, достигающие передней части мозга.

Команда собрала 20 футбольных мячей, представляющих ключевые модели прошлого века. Они состояли из старых кожаных панелей, сшитых хлопком, современных термосклеенных синтетических материалов, а также промежуточных вариантов между ними.

Исследователи запускали каждый мяч в модель головы с реалистичной для матча скоростью, как в сухом, так и во влажном состоянии, при разных температурах. Условия игры головой на субботнем поле могут отличаться, и лаборатория воспроизвела эти условия.

В ходе эксперимента с 20 шарами амплитуда ударной волны сильно различалась. Наибольшие различия достигали 55 раз – один шар посылал небольшой импульс вперед, а другой – гораздо более сильный с той же скоростью.

Если определенные конструкции шаров передают меньше энергии по этому пути, то конструкция шара становится рычагом, который инженеры могут использовать. Ответить на вопрос «почему» сложнее. Вес мяча, жесткость поверхности и деформация мяча при ударе — все это разные переменные.

В более ранних работах той же лаборатории было установлено, что кожаные мячи имеют другую массу во влажном состоянии, чем синтетические. Новое исследование не позволяет точно определить, какое именно свойство мяча вызывает скачок давления.

Исследователи проявляют осторожность как в печатных материалах, так и в интервью, поскольку используемая методика является образцовой. Ни один доброволец не играл в мяч головой, и никто не отслеживал память или настроение до и после эксперимента.

Пока неизвестно, способствует ли этот пульс, повторяющийся тысячи раз за карьеру, более высоким показателям деменции среди бывших профессиональных спортсменов. Этот риск реален. Знаковое исследование, проведенное в Глазго среди более чем 7000 бывших шотландских специалистов, показало, что они умирали от нейродегенеративных заболеваний примерно в три с половиной раза чаще, чем контрольная группа.

Харланд, который посвятил 20 лет изучению воздействия ударов в футболе, сказал, что это позволяет команде дать гораздо более подробное описание того, как передается энергия при ударе головой.

«Предстоит еще много работы, прежде чем мы полностью поймем, что это значит для здоровья мозга», — сказал он. «Эти результаты открывают возможности для работы над конструкцией мячей и техническими характеристиками испытаний, которые минимизируют передачу энергии в мозг».

Изображение головы стало еще более детальным. До этой работы в данной области существовали только два четких показателя – ускорение головы и напряжение мозга. Теперь появился третий фактор – измеримая ударная волна, которая воздействует на переднюю часть мозга за микросекунды до того, как движение головы завершится.

Шведский анализ данных по игрокам высшего дивизиона выявил более высокие показатели деменции у полевых игроков, которые бьют по мячу головой, и отсутствие избытка случаев деменции у вратарей, которые делают это редко.

В сертификации мячей теперь, помимо размера и веса, может указываться пороговое значение ударной волны. У производителей есть цель, а у лиг — рычаг воздействия. Теперь появился первый конкретный показатель в споре о том, влияет ли дизайн мяча на здоровье мозга.