体内控制性亚震荡性头部冲击实验方案用于验证现场研究数据

摘要

亚震荡性足球头球模型是一种安全且简洁的方法学手段，用于分离并测量亚震荡性头部冲击的影响。

摘要

亚震荡性撞击对神经元健康构成威胁，因其已被证实可导致神经元结构损伤和功能障碍，且不引发明显的临床症状，且似乎是不可逆的神经退行性疾病——慢性创伤性脑病（CTE）的关键诱因。此外，运动员每个赛季可能遭受超过1000次此类撞击。亚震荡性足球头球模型（SSHM）是一种相关性强、可重复且领先的实验方法，用于分离并研究这些亚震荡性头部撞击的影响。通过控制球的移动速度、撞击频率、间隔时间、球与头部的接触位置等变量，并测量头部撞击的强度，SSHM为科学界提供了研究亚震荡性撞击对神经元健康急性影响的优越途径。本文展示了SSHM在重复测量设计下研究血浆中神经丝轻链多肽（NF-L）时间进程表达的应用价值。NF-L是一种轴突损伤标志物，既往研究已发现其在经历亚震荡性头部创伤的拳击运动员和橄榄球运动员体内水平升高。本研究招募了34名成年足球运动员，并随机分配至头球组（n = 18）或踢球组（n = 16）。头球组在10分钟内完成10次头球，足球以每小时25英里的速度投掷；踢球组则执行相同的程序，完成10次踢球。在头球或踢球前以及0小时、2小时和24小时后采集血浆样本，检测NF-L的表达水平。头球组血浆NF-L表达水平呈逐渐上升趋势，并在头球干预后24小时达到峰值，而踢球组在各时间点的表达水平保持稳定。这些结果验证了临床现场研究中的NF-L数据，支持使用SSHM来验证临床亚震荡性损伤的研究结果。

引言

长期反复暴露于亚震荡性头部冲击被认为是导致神经退行性疾病慢性创伤性脑病（CTE）的关键因素之一^1,2,3,4,5。每年，约有250万名高中和大学运动员参与接触性运动，这些运动常因身体和头部的快速加速-减速而引发此类亚震荡性损伤^6,7。具体而言，接触性运动运动员每个赛季可能经历数百次甚至多达1000次此类冲击^6,8,9。此外，其他人群如军人群体自2001年以来已记录超过30万例头部损伤，其中已有退役军人群体被近期诊断出患有CTE¹⁰。这一诊断结果与110例已故美国橄榄球运动员及4例已故足球运动员的CTE脑部病理发现相呼应，凸显出日益严重的公共健康问题^11,12。鉴于其惊人的普遍性，头部冲击相关研究亟需转变方向，采用可靠且精确的方法，以分析亚震荡性撞击在多种场景下所引发的急性神经负担。

本文介绍的SSHM模型满足了当前方法学上的需求，即安全地模拟在接触性体育活动中神经组织所承受的常见机械应力。该模型的实施使研究人员能够精确控制球的飞行速度、冲击频率、冲击间隔、球作用于头部的位置，以及头部受力强度的测量^13,14。尽管这些因素在实际现场环境中几乎无法控制，SSHM为研究人员提供了一种有效手段，用以分离亚震荡性头部冲击的独立效应。此外，通过消除运动过程中存在的混杂变量（如剧烈运动的影响、身体损伤、体温变化以及水合/出汗情况），SSHM为验证临床观察结果提供了更为优越的方法。

SSH 模型与体育运动中特定类型的头部撞击具有直接的对应关系。因此，已有文献开始展示其应用价值，并证实了其他研究者关于累积性头部撞击负担的研究发现。例如，我们已证明，亚震荡性头部撞击的累积负担会显著导致足球运动员出现神经眼科学功能障碍^13,15。此外，仅10次亚震荡性撞击即可立即干扰前庭功能，而该功能在休息24小时后可恢复正常¹⁶。在本方法学报告中，我们描述了 SSH 模型在安全研究亚震荡性头部撞击效应方面的应用，并介绍了一项我们的发现：重复性亚震荡性头部撞击会逐步增加血液中神经元来源的生物标志物 NF-L 的浓度¹⁴。这一发现不仅证实了既往关于重复性亚震荡性头部撞击可导致 NF-L 出现的研究结果^17,18，同时也验证了 SSH 模型能够以受控的临床方式重现此类发现。

方案

作者确认该研究已获得印第安纳大学机构审查委员会的批准（方案编号 # 1610743422），并已获取书面知情同意书。

注意：SSHMs 被整合到一个重复测量设计中，旨在比较干预后 0 小时、2 小时和 24 小时各时间点受试者体内因变量相对于干预前个体值的变化。该研究设计使研究人员能够追踪长达 24 小时的变化，这正是运动员训练之间通常的时间间隔。在本研究中，足球运动员被随机分配至足球头球组（n = 18）或足球踢球组（n = 16）。

1. 设置

1. 在完成基线测量（干预前）后，开始进行SSHM，将一个足球发射机放置在距离受试者约40英尺的位置，并确保足球已充气至9 psi。
2. 机器正面显示两个相同的旋钮，用于调节左右轮的速度，旋钮之间有一个电源开关。将这两个旋钮均设置为选定的标准速度。
   注：本次演示中，足球的行进速度设定为30 mph。该速度可模拟足球比赛中从边线掷球至中场的情形，这是足球运动员在训练和比赛中经常执行的动作。
3. 在足球发射机的轮子下方放置3英寸高的垫块，以实现所需的发射轨迹（对踢球受试者无需使用垫块）。完成后，将发射机调整至40°角，该角度定义为地面与旋转轮中轴线之间的夹角。
   注：角度测量使用关节角度计进行，通过松开足球装载处蓝色导轨上的旋钮，可对机器进行角度调节。
4. 当足球发射机正确设置后，为受试者佩戴内置三轴加速度计的头带，加速度计置于头带口袋内，并正对枕外隆凸（枕外粗隆）下方，用于监测头部的线性和旋转加速度。
5. 启动加速度计对应的软件，并正确输入受试者信息。此时，受试者即可开始进行干预前的熟悉性试验（头球、踢球）。

2. 适应性试验

1. 让受试者站在距离球发射机约40英尺的位置。
2. 务必向受试者说明，球发射机会将足球击向他们，而他们只需模拟与球的接触动作即可（即：进行头球动作的受试者应在球接触头部前，用手在额前接住球；进行踢球动作的受试者应用脚将球“停”在地面，而不是将球回击；站立不动的受试者则应保持静止，不与球发生接触）。
3. 当受试者理解并准备就绪后，让研究人员打开球发射机，将足球放置在蓝色导轨上，并在倒数3-2-1后，将球推入旋转轮中。
4. 按照前述方式（步骤2.2）停止球的运动后，让受试者将球滚回。
5. 重复步骤2.3和2.4，再进行两到四次（其间无需休息），以确保受试者的位置正确，且与球的互动安全可控。至此，完成适应性试验。

3. 干预措施

1. 口头确认受试者已准备就绪。确认后，指导头球受试者仅以额头接触球；提醒受试者避免球撞击冠状缝、顶叶及颞叶区域。指示踢球受试者仅在球处于飞行状态时进行踢球；若球接触地面，会对脚部后续的冲击力产生衰减。
2. 指导头球与踢球受试者均以凌空击球方式将球传向位于他们与机器之间约一半距离处的目标（另一名研究人员）。尽可能要求受试者以模仿球飞向其自身时所呈现的弧线轨迹的方式完成此动作。
3. 启动三轴加速度计并开始记录。
4. 将足球放置于蓝色导轨上，在3-2-1倒数后将球推入旋转轮中，并确保球与轮子实现有效接触。
5. 重复步骤3.4共十次，每次之间间隔60秒休息时间。若受试者未与球发生互动（因球落点不当或疑似接触身体需避免的区域），则应立即再次将球凌空传给该受试者，不设休息间隔。
6. 每次头球接触之间，需通过三轴加速度软件确认加速度计已记录到冲击信号（踢球受试者不应记录到G力值）。
7. 干预结束后，关闭足球发射机并停止三轴加速度记录（此步骤至关重要，因取下头带时的移动可能被记录为另一次“冲击”）。待记录完全停止后，方可取下头带。

结果

此处展示的结果源自之前发表的文章¹⁴，其中采用的SSHM方法如前所述。在本研究中，我们旨在阐明SSHM如何诱导血浆中神经丝轻链（NF-L）水平的变化，NF-L是一种轴突损伤标志物，据推测在头部受到冲击后会从颅内渗出至外周血液中。

SSHM 与头部运动学

当前数据来自34名符合分析条件的受试者（头顶球组：n = 18，踢球[对照]组：n = 16）。两组在任何人口统计学特征上均无显著差异。人口统计学特征及头部撞击动力学参数详见表1。头部撞击动力学数据显示，头顶球组每次头部撞击的中位线性加速度为31.8 g（IQR：31.1–34.5 g），中位角加速...

讨论

尽管美式足球等接触性运动看似推动了建立简洁研究模型以探讨亚震荡性脑损伤的需求，但其他运动如足球可能在全球范围内构成了亚震荡暴露的主要部分，因为约有2.65亿人参与了这项可能是世界上最受欢迎的运动¹⁹。然而，尽管大多数疑似与亚震荡相关的长期神经退行性效应是在美式足球运动员的尸检中发现的，足球中的头部撞击与足球头球之间的相似性却出人意料地高。例如，本研究中进行的10次足球头球训练引发了约300 g 的加速度和35 krad/s² 的角加速度，这与先前使用类似亚震荡模型的研究报告结果几乎完全一致^20,21。这些撞击动力学参数与美式足球中观察到的撞击相当，其中一名普通大学橄榄球运动员在训练中平均遭受7.0–9.4次撞击，在比赛中则遭受25次撞击，每次撞击的平均峰值线性加速度为28.8–32.0 g^22,

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
JUGS 足球训练机	JUGS Sports	http://jugssports.com/products/soccer-machine.html
SIM-G 三轴加速度计	Triax Technologies	https://www.triaxtec.com/workersafety/wp-content/uploads/2017/08/SIM-G-User-Manual_V4-2-01.pdf