Summary
亚冲击足球航向模型是一种安全、简洁的方法, 用于隔离和测量亚冲击头撞击的影响。
Abstract
亚撞命中对神经元健康构成威胁, 因为它们已被证明能诱发神经元结构损伤和功能障碍, 而不会引起外在的症状, 并且似乎是一种不可逆转的神经退行性疾病的主要促成因素, 慢性创伤性脑病 (CTE)。此外, 运动员每个赛季可能会遭受超过 1, 000次这样的打击。亚震荡足球航向模型 (SSHM) 是一种相关的、可重复的、领先的隔离和检验这些亚冲击头撞击影响的方法。通过控制球的移动速度、撞击频率、间隔、球体放置到头部等变量, 以及通过测量头部撞击幅度, SSHM 为科学界提供了一个调查急性疾病的优越途径。对神经元健康的影响。本文论证了 SSHM 在研究神经纤维轻多肽 (NF-L) 在等离子体中的时间过程表达中的应用。NF-L 是一种轴突损伤标记, 此前已被证明在脑震荡下头部外伤后, 在拳击手和足球运动员中被提升。34名成年足球运动员被招募, 并被随机分配到一个足球标题 (n = 18) 或踢 (n = 16) 组。航向组执行了10个头球, 足球以每小时25英里/小时超过10分钟的速度投射。踢法小组遵循同样的协议, 进行了 1 0次踢法。在启动后, 在0小时、2小时和24小时处获得血浆样本, 并对 NF-L 表达进行评估。标题组的血浆 NF-L 表达率逐渐增加, 在标题协议后的24小时达到高峰, 而踢腿组在各个时间点上保持不变。这些结果证实了来自临床实地研究的 NF-L 数据, 鼓励使用 SSHM 来验证临床下脑震荡数据。
Introduction
长期、反复接触亚脑震荡头部撞击被认为是患上神经退行性疾病 cte1、2、3、4、5的主要贡献者之一.每年约有250万高中和大学运动员参加接触运动, 这些运动经常通过身体和头部6、7 的快速加速减速引起这些亚脑震荡侮辱。具体而言, 接触体育运动员每个赛季第6、8、9可能会经历几次多达 1, 000次这样的影响。此外, 自2001年以来, 其他人口, 如军人, 头部受伤超过 300 000 人, 这已体现在一名退役退伍军人中最近对 CTE 的诊断中.这一诊断与美国足球运动员的110名尸检 cte 大脑和4名死后足球运动员的诊断结果相似, 提出了一个新兴的公共卫生问题 11,12。鉴于惊人的流行率, 头部撞击研究必须转移目光, 纳入声音、精确的方法来分析急性债务亚震荡打击在各种领域的诱惑。
这里介绍的 SSHM 是一个满足目前的方法需要, 以安全地诱导常见的机械应力放置在神经组织在接触运动活动。该模型的实施使调查人员能够仔细管理球的行驶速度、撞击频率、间隔、球体放置到头部, 以及测量头部撞击幅度 13, 14.虽然这些因素在野外环境中几乎不可能控制, 但 SSHM 为研究人员提供了一个渠道, 以隔离亚震荡头部撞击的影响。此外, 通过消除在游戏过程中看到的混淆变量 (例如剧烈运动、身体损伤、体温变化和水化汗液的影响), SSHM 提供了一种更好的方法来验证临床观察结果.
SSHM 与体育领域内的头部撞击有直接的相似之处。因此, 文献已经开始显示其效用, 并证实了其他调查人员对累积头部撞击负担的调查结果。例如, 我们已经证明, 下脑震荡头部的负担影响显著推动神经眼功能障碍的足球运动员 13,15.此外, 仅有10次亚脑震荡撞击被证明会立即引起前庭功能的困扰, 在休息16的24小时后, 前庭功能可以正常化。在这份方法报告中, 我们描述了 SSHM 在安全研究亚震荡头部撞击影响方面的应用, 并介绍了我们的一个发现, 即重复的亚脑震荡头部撞击逐渐增加神经元源的浓度血液生物标志物, 即 NF-L14。这一发现不仅证实了以前的结果 nf-l 存在, 由于重复的下震荡打击头部 17,18, 而且也证明 sshm 可以重现这种发现在一个可控的临床方式。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
作者核实印第安纳大学机构审查委员会批准了这项研究 (议定书 # 1610743422), 并获得了书面知情同意。
注: SSHM 被纳入了一个重复的措施设计, 其目的是调查与个别干预前值相比, 受试者在0小时、2小时和24小时干预后的因变量之间的变化。这项研究设计允许研究人员跟踪24小时内的变化, 这是运动练习之间的典型时间框架。在本研究中, 足球运动员被随机分配到足球头球 (n = 18) 或踢足球组 (n = 16)。
1. 设置
- 在基线测量收集 (干预前) 之后, 开始 SSHM, 将足球发射器定位在距离主体约40英尺的地方, 并确保足球充气至 9 psi。
- 机器的表面显示两个相同的表盘, 调节左右车轮的速度, 并在它们之间打开一个开关。将这两个拨号设置为标准化的选择速度。
注: 为此演示目的, 球的移动速度已设置为每小时30英里。之所以选择这种速度, 是因为它模拟了从场边到中场的足球抛球。足球运动员经常在练习和比赛中进行这种动作。 - 放置3英寸块的车轮下的球发射器, 以允许所需的轨迹 (没有块需要踢对象)。完成后, 球发射器的角度将达到 40°, 这是以地面和旋转车轮中线之间的角度来测量的。
注: 角度测量是用测角仪进行的, 在松开位于足球负载的蓝色导轨上的旋钮后, 机器可以进行调整。 - 正确设置足球机后, 将受测者与嵌入在头带口袋中并位于枕外突起 (inion) 正下方的三轴加速度计配合使用, 以监测线性和旋转头的加速度。
- 启动加速度计的相应软件, 并相应地输入主题的信息。此时, 当事人已经准备好开始对干预措施 (标题、踢腿) 进行熟悉试验。
2. 熟悉情况试验
- 将拍摄对象放置在球发射器前大约40英尺处。
- 一定要向研究对象解释, 球发射器会向他们抽射足球, 他们只需要模拟与球的介入接触 (即, 头球拍摄对象会在前额前双手接球)进行头球接触, 踢腿的主体将 "陷阱" 球在地面上与他们的脚, 而不是把球弹回, 站着的对象将保持静态, 不与球接触)。
- 当主体理解并感觉准备好了, 让研究人员打开球发射器, 将足球加载到蓝色铁轨上, 最后在3-2-1 倒计时后将球推入旋转车轮。
- 如前面所述 (步骤 2.2) 所述停止球后, 让主体将球滚回原处。
- 重复步骤2.3 和 2.4 2 至4次额外时间 (不需要休息时间), 以确保主体定位正确, 并可安全和控制与球的交互。熟悉情况试验到此结束。
3. 干预
- 口头确认主题已准备就绪。一旦确认, 指示头球对象只使额头接触球;告诉研究对象, 以避免潜在的影响冠, 顶叶, 和颞叶。指示踢法对象只有在飞行时才会踢球, 因为球与地面的接触会减弱随后对脚的冲击。
- 指导头球和踢法对象将球抽射到目标 (额外的研究人员), 大约是他们和机器之间距离的一半。尽最大努力, 要求被试以模仿球在向被试飞行期间所采取的拱形轨迹的方式这样做。
- 激活三轴加速度计并开始录制。
- 将足球加载到蓝色导轨上, 在3-2-1 倒计时后将球推入旋转车轮, 并确保进行适当的接触。
- 再重复3.4 次 9次, 在两回合之间休息60秒。如果主体放弃与球的互动 (由于不适当的位置或怀疑在必须避免的区域与身体接触), 那么再次快速地将球抽调到主体, 没有任何休息时间。
- 在每个头部与球接触之间, 验证三轴加速度计是否记录了撞击 (使用三轴软件; 踢腿对象不应注册 g 力)。
- 一旦干预结束, 关闭球发射器并停止三轴记录 (重要的是, 因为拆除头带所需的运动可能会记录另一个 "冲击")。录制停止后, 卸下头带。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
这里所代表的结果是从以前的第14条解释的, 其中使用了上文所述的最高管理机制。在这项特殊的研究中, 我们的目的是展示如何 sshm 可以诱导血浆水平的变化 NF-L, 这是一个轴突损伤标记, 假设过滤出头颅和外周血后头部撞击。
SSHM 和头部运动学
目前的数据来自34名有资格进行分析的受试者 (标题组: n = 18, 踢 [控制组: n = 16)。各群体之间的任何人口特征没有显著差异。人口统计和头部撞击运动学详见表 1。头部撞击运动学数据显示, 头部组的平均线性头部加速度为每只头部 31.8克(iqr:31.1-34.5 g), 旋转头部加速度中值为每人头撞击3.56 克拉迪 2 ( iqr:2.93-4.04 克拉兹2)。相反, 踢腿 (控制) 组没有导致可检测到的头部加速水平 (如预期的那样) (表 1)。
SSHM 对 NF-L 生物标志物水平的影响
SSHM 能够产生以下结果。有关结果的可视化表示形式, 请参见图 1 。(i) 血浆 NF-L 表达逐渐增加, 头部撞击组的时间效应在统计上显著, F(1,31) = 9.17, p = 0.0049 就说明了这一点。例如, NF-L 的 0.03 Pg/ml 估计在10个标头 (SE = 0.03) 后每小时增加一次。(二) 踢腿 (对照) 组没有明显的时间效应, F(1,31) = 1.20, p = 0.28。(三) 随访结果表明, 与前标题 (3.12±0.29 pg/ml, p = 0.0013) 相比, 在24小时后标题 (3.68±0.30 pg/ml) 时出现了显著差异; Cohen ' s d = 1.8 98)。(四) 线性回归, 根据基线 NF-L 水平进行调整, 用于评估干预后24小时时间点的组间差异, 并区分标题组的 NF-L 水平明显高于踢腿 (控制)估计平均差 0.66 Pg/ml (SE = 0.66, p = 0.0025) 的组。
| 变量 | 标题 | 踢腿控制 | P 值 |
| n | 18 | 16 | - |
| 性 | 7M 11F | 600万10楼 | - |
| 年龄, y | 20.3±1。5 | 21.2±1。4 | 0.089 |
| BMI, kg/2 | 23.2±2。4 | 24.4±3。2 | 0.236 |
| 不。以前的脑震荡 | 0.78±1。0 | 0.63±1。7 | 0.753 |
| 足球头球体验, y | 9.5±3。6 | 10.0±4。5 | 0.725 |
| 头部冲击运动学, 中位 (IQR), a | |||
| PLA, g | 31.8 (31.1–34.5) | -b | - |
| PRA, krad/s | 3.56 (2.93–4.04) | -b | - |
| 注: 体重指数, 体重指数。IQR, 四分位数范围。PLA, 峰值线性加速度。PRA, 峰值旋转加速度。克拉德, 基洛迪安。a, 基于10个足球头球的总和。b, 足球踢法没有导致可检测到的头部加速水平。 | |||
表 1: 按组分列的人口统计和影响运动学。
图 1: 亚震荡影响前后血浆 NF-L 水平的变化.在航向组中, NF-L 在24小时后航向时升高, 而前标题和0后航向时间点, 但踢腿 (控制) 组在所有时间点上保持不变。标题组在24小时后标题下的 NF-L 水平高于踢 (控制) 组。数据以平均± SEM 的形式出现, NF-L = 神经丝光;SEM = 平均值的标准误差。经纽约州 new Rochelle 的 mary Ann Liebert 公司允许, 该数字转载于 Wirsching 等人。请点击这里查看此图的较大版本.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
虽然像美国足球这样的接触运动似乎正在推动对研究亚震荡影响的简洁研究模型的需求, 但足球等其他运动可能在全球范围内占了大约265种亚震荡接触的主要份额百万人参加了也许是世界上最受欢迎的运动.然而, 虽然大多数疑似长期神经退行性影响的小脑震荡已在美国足球运动员的尸检, 足球头部撞击的相似程度惊人地很大。例如, 在目前的研究中, 10 轮足球航向产生了大约 300克和35克拉迪斯 2, 这与以前使用类似的小脑震荡模型20、21 的报告几乎相同。这些撞击运动学与美国足球中观察到的命中相似, 在美国足球中, 大学足球运动员在训练中平均命中 7.0-9.4秒, 在比赛中命中 25次, 平均每命中的峰值线性加速度为 28.8-32.0 g22 ,23,24,25。此外, 其他接触运动, 如冰球, 也显示出与这些结果相似或更大的峰值线性头部加速度。例如, 最近一项对男女曲棍球运动员进行的研究显示, 在一个赛季中, 这些运动员的线性加速度高峰为 41.6克(36.6-49.5 克) 和 41.6克( 男性和女性分别为 36.5-49.9克(中位数 [iqr])26。此外, 在这项冰球研究中使用的头部撞击遥测系统显示, 近三分之一的男性 (28.0 [21.2%-33.5%]) 和女性 (29.3% [24.8%-32.1%]) (中位数 [IQR]) 被施加在头部前部26。这些结果与使用 SSHM 引起的头部撞击直接平行, 这表明目前的方法具有广泛的临床效用。
然而, 在试图将足球和美国足球头球影响推断给冰球等其他接触运动时, 有一个限制应该解决。冰球中的头部撞击不是常规训练, 会受到惩罚, 而且通常是故意与其他玩家接触的结果。事实上, 大学冰球运动员的下震荡撞击率被认为很低: 男性每场比赛 1.3 (1.0-1.7), 每场比赛 6.3 (3.5-9.0), 每场比赛 0.9 (0.6-1.0), 女性每场比赛 3.7 (2.5-4.9).
本研究并不是首次探讨头部外伤后 NF-L 的表达;然而, 它是首次将头部外伤隔离为中枢神经系统外 NF-L 表达的原因。Oliver 等人评估了美国足球运动员在一个赛季 (~ 6个月) 期间在8个不同时间点的血清 NF-L 表达.球员被分为首发和非首发两组, 假设首发运动员会接触到更多的头部命中, 而不首发的运动员会产生比首发更多的头球命中。作者发现, 随着时间的推移, 在整个第17季, 首组血清 NF-L 表达显著增加。相反, 整个赛季, 非首发组保持了稳定。同样, Shahim 等人分析了拳击手在脑震荡下创伤亚急性期 (7-10 前)后血清 NF-L 水平。在他们的分析中, 拳击手分别根据在拳击比赛中的 lt;16 与≥16的头部命中的传闻门槛分为两组 (轻度与重度头部撞击组)。与轻度撞击组相比, 重度头部撞击组 NF-L 的血清表达显著升高, 提示头部撞击和生物标志物表达的剂量依赖性反应 18。虽然所提交的文献为 NF-L 作为轴突损伤的标志得出了强有力的理由, 但这两项研究都没有对整个运动过程中看到的混淆变量 (热发生、水化状态、身体接触、头部运动学等) 进行鲁棒控制。这种方法上的差距是对 SSHM 的需要的基础。通过使用 SSHM、Wirsching 等人、第14号和 wallace 等人, 能够控制上述混淆变量, 加上头部撞击的监测地点、规模和数量, 并研究头部撞击剂量反应血液中 NF-L 水平的分布。因此, SSHM 为研究脑震荡下撞击的效果和验证临床结果提供了安全和标准化的手段。
SSHM 显示出一种承诺, 认为它是一种相关的、可重复的、领先的方法, 可以隔离和检查无论运动如何的亚脑震荡头部撞击的影响;但是, 在采用此方法时, 需要考虑一些限制。首先, SSHM 具有很强的控制环境共变量的能力 (前面描述过);然而, 这意味着需要一个温控的室内设施。其次, 为了确保安全和可控的头部接触, 我们将参与者排除标准设定为至少5年的足球头球经验。这种截断被用来消除潜在的有害头部接触, 由于新手标题技术。最后, 该协议要求使用特定设备和多名研究人员, 而这些设备和研究人员可能无法一致查阅。
SSHM 为研究人员自信地验证实地研究中的结果提供了一种非常宝贵的方式。这种信心源于 SSHM 能够控制内部和外部的混淆因素, 如影响位置和数量、身体损伤、运动效果和汗水, 仅举几例。此外, 由于 SSHM 显示出与冰球和美式足球等其他运动项目类似的头部撞击幅度, 因此可以说, 这种方法不仅对足球运动员, 而且对美国足球、冰都具有巨大的临床相关性曲棍球、橄榄球和拳击运动员。最后, 由于 SSHM 并不像美国足球这样的男女不平等的运动那样将人口隔离开来, 因此可以对所有性别和种族进行研究。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
作者要感谢安吉拉·维兴女士, 她是我们在代表性研究部分引用的研究的关键贡献者。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| JUGS Soccer Machine | JUGS Sports | http://jugssports.com/products/soccer-machine.html | |
| SIM-G Triaxial Accelerometer | Triax Technologies | https://www.triaxtec.com/workersafety/wp-content/uploads/2017/08/SIM-G-User-Manual_V4-2-01.pdf |
References
- Goldstein, L. E., et al. Chronic traumatic encephalopathy in blast-exposed military veterans and a blast neurotrauma mouse model. Science Translational Medicine. 4 (134), 134ra60 (2012).
- Kraus, M. F., et al. White matter integrity and cognition in chronic traumatic brain injury: a diffusion tensor imaging study. Brain: A Journal of Neurology. 130 (Pt 10), 2508-2519 (2007).
- McKee, A. C., et al. The spectrum of disease in chronic traumatic encephalopathy. Brain: A Journal of Neurology. 136 (Pt. 136 (Pt 1), 43-64 (2013).
- Mez, J., et al. Clinicopathological Evaluation of Chronic Traumatic Encephalopathy in Players of American Football. JAMA. 318 (4), 360-370 (2017).
- Tagge, C. A., et al. Concussion, microvascular injury, and early tauopathy in young athletes after impact head injury and an impact concussion mouse model. Brain: A Journal of Neurology. 141 (2), 422-458 (2018).
- Bailes, J. E., Petraglia, A. L., Omalu, B. I., Nauman, E., Talavage, T. Role of subconcussion in repetitive mild traumatic brain injury. Journal of Neurosurgery. 119 (5), 1235-1245 (2013).
- Estimated probability of competing in college athletics. NCAA.org – The Official Site of the NCAA. , Available from: http://www.ncaa.org/about/resources/research/estimated-probability-competing-college-athletics (2018).
- Schnebel, B., Gwin, J. T., Anderson, S., Gatlin, R. In vivo study of head impacts in football: a comparison of National Collegiate Athletic Association Division I versus high school impacts. Neurosurgery. 60 (3), 490-496 (2007).
- Guskiewicz, K. M., et al. Measurement of head impacts in collegiate football players: relationship between head impact biomechanics and acute clinical outcome after concussion. Neurosurgery. 61 (6), 1244-1253 (2007).
- Alfonsi, S. Combat veterans coming home with CTE. CBS News. , Available from: https://www.cbsnews.com/news/60-minutes-combat-veterans-coming-home-with-cte-brain-injury/ (2018).
- Ward, J., Williams, J., Manchester, S. 111 N.F.L. Brains. All But One Had C.T.E. The New York Times. , Available from: https://www.nytimes.com/interactive/2017/07/25/sports/football/nfl-cte.html (2017).
- Ling, H., et al. Mixed pathologies including chronic traumatic encephalopathy account for dementia in retired association football (soccer) players. Acta Neuropathologica. 133 (3), 337-352 (2017).
- Kawata, K., Tierney, R., Phillips, J., Jeka, J. J. Effect of Repetitive Sub-concussive Head Impacts on Ocular Near Point of Convergence. International Journal of Sports Medicine. 37 (5), 405-410 (2016).
- Wirsching, A., Chen, Z., Bevilacqua, Z. W., Huibregtse, M. E., Kawata, K. Association of Acute Increase in Plasma Neurofilament Light with Repetitive Subconcussive Head Impacts: A Pilot Randomized Control Trial. Journal of Neurotrauma. , (2018).
- Coon, S. Acute Effects of Sleep Deprivation on Ocular-Motor Function as Assessed by King-Devick Test Performance. , Indiana University. Bloomington, Indiana. Master’s thesis (2018).
- Hwang, S., Ma, L., Kawata, K., Tierney, R., Jeka, J. J. Vestibular Dysfunction after Subconcussive Head Impact. Journal of Neurotrauma. 34 (1), 8-15 (2017).
- Oliver, J. M., et al. Serum Neurofilament Light in American Football Athletes over the Course of a Season. Journal of Neurotrauma. 33 (19), 1784-1789 (2016).
- Shahim, P., Zetterberg, H., Tegner, Y., Blennow, K. Serum neurofilament light as a biomarker for mild traumatic brain injury in contact sports. Neurology. 88 (19), 1788-1794 (2017).
- FIFA Communications Division, Information Services. FIFA Big Count 2006: 270 million people active in football. , Available from: https://www.fifa.com/mm/document/fifafacts/bcoffsurv/bigcount.statspackage_7024.pdf (2007).
- Dorminy, M., et al. Effect of soccer heading ball speed on S100B, sideline concussion assessments and head impact kinematics. Brain Injury. , 1-7 (2015).
- Bretzin, A. C., Mansell, J. L., Tierney, R. T., McDevitt, J. K. Sex Differences in Anthropometrics and Heading Kinematics Among Division I Soccer Athletes. Sports Health. 9 (2), 168-173 (2017).
- Crisco, J. J., et al. Frequency and location of head impact exposures in individual collegiate football players. Journal of Athletic Training. 45 (6), 549-559 (2010).
- Duma, S. M., et al. Analysis of real-time head accelerations in collegiate football players. Clinical Journal of Sport Medicine. 15 (1), 3-8 (2005).
- Reynolds, B. B., et al. Practice type effects on head impact in collegiate football. Journal of Neurosurgery. , 1-10 (2015).
- Kawata, K., et al. Association of Football Subconcussive Head Impacts With Ocular Near Point of Convergence. JAMA Ophthalmology. 134 (7), 763-769 (2016).
- Wilcox, B. J., et al. Head impact exposure in male and female collegiate ice hockey players. Journal of Biomechanics. 47 (1), 109-114 (2014).
- Wallace, C., et al. Heading in soccer increases serum neurofilament light protein and SCAT3 symptom metrics. BMJ Open Sport & Exercise Medicine. 4 (1), e000433 (2018).
