在伊拉克担任战斗工程师期间，杰里米的任务是寻找路边炸弹。结果炸弹却找到了他。在彼此相隔 72 小时内，两枚简易爆炸装置（IED）在他这位 20 多岁的父亲 15 英尺范围内爆炸。第一波冲击波，即爆炸产生的高压空气移动墙，短暂地将他击昏。第二次爆炸让他昏昏沉沉约 30 分钟，并产生耳鸣，一周内消失。这些爆炸没有对杰里米（不是他的真名）造成明显的伤害——但他再也不一样了。
在伊拉克服役结束后，杰里米对他的配偶和孩子变得更加易怒。在他担任一家全国性公司经理的工作中，当顾客态度生硬或业务繁忙时，他会感到非常沮丧。杰里米的记忆力也衰退了，他不得不使用每日计划本来提醒自己即使是最基本的任务。他还患有使人丧失能力的头痛、惊恐或困惑、情绪波动以及感官错觉，例如金属味或耳鸣。神经心理学测试显示，杰里米在心理处理、注意力和短期语言记忆方面存在真正的缺陷。
杰里米被诊断出患有“轻度”创伤性脑损伤（TBI），即头部创伤仅导致短暂的意识丧失或精神或感官功能的短暂紊乱。这种创伤根据其直接后果而非长期影响被认为是轻度、中度或重度。因此，一些被诊断为重度 TBI 的患者——例如，因为他们昏迷了四天——最终可以毫无事故地重返工作岗位，而约有 10% 到 15% 的遭受轻度 TBI 的平民患者永远无法完全从其影响中恢复。
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根据疾病控制和预防中心的数据，美国平民每年遭受 140 万例 TBI，其中四分之三是轻度的。事实上，轻度 TBI 是美国最常见的神经系统疾病，仅次于头痛，头痛类别包括偏头痛。此外，根据 2008 年兰德公司的一份报告，多达 32 万名美国军人在伊拉克或阿富汗经历了可能的任何严重程度的 TBI。
足以导致 TBI 的爆炸也足以产生情感创伤和精神疾病创伤后应激障碍（PTSD）。因此，许多退伍军人，包括杰里米，都患有这两种疾病。特别是，轻度 TBI 和 PTSD 的结合被认为是伊拉克战争的标志性损伤。为了应对这一新出现的问题，美国国会在 2007 年拨款 3 亿美元用于调查轻度 TBI 和 PTSD。
与此同时，科学家们已经确定了钝器外伤（头部被撞击）损害大脑的多种方式，包括造成瘀伤、神经细胞拉伸或撕裂以及电信号错误。他们还建立了大脑损伤直接由爆炸释放的压力波造成的案例，即使在士兵的头部没有撞击任何固体物体的情况下也是如此。新的知识正在引发对轻度 TBI 治疗方法的研究，其中可能包括抗癫痫药物和各种形式的心理疗法。
钝力
到目前为止，普通生活中最常见的脑外伤类型是闭合性头部损伤——即没有子弹、刀或其他物体实际穿透——是由车祸、跌倒、体育活动、袭击或其他事故或追逐中头部撞击表面造成的。内科医生克劳迪娅·奥斯本，现任密歇根州立大学骨科医学院医师，在一次自行车事故中遭受了轻度 TBI，这永久性地削弱了她执业医学和应对日常生活的能力。她在《Over My Head: A Doctor’s Own Story of Head Injury from the Inside Looking Out》（Andrews McMeel Publishing，1998 年）一书中描述了她克服残疾的斗争。
美国每年约有 30 万例轻度 TBI（也称为脑震荡）是由体育运动引起的。前职业摔跤手和哈佛大学防守截锋克里斯·诺温斯基在头部受到撞击后多次被击倒、看到重影和迷失方向。大多数时候他都坚持比赛，但在六次脑震荡后，诺温斯基不得不停止职业摔跤。反复的脑震荡也结束了许多职业橄榄球运动员的职业生涯。长期后果包括痴呆和癫痫风险增加。
我们的大脑被包裹在骨质头骨和称为脑膜的三层膜中。此外，大脑漂浮在一种叫做脑脊液（CSF）的透明液体中，这为抵抗钝器外伤对头骨的影响提供了一定的缓冲。这些保护层可以防止轻微跌倒或被木棍和小石头击中头部造成的损伤——这些是人类进化史上通常经历的损伤类型。但由于大脑的生物屏障没有时间来响应近期技术进步带来的选择压力，它们对路边炸弹或高速撞击电线杆产生的冲击波几乎没有保护作用。即使是拳击、橄榄球和摔跤等接触性运动或从骑马或滑雪中跌落造成的撞击也可能造成严重的脑损伤。
脑震荡通常是由头部受到撞击或头部撞击坚硬表面或被摇晃或旋转引起的。为了应对这些力量，大脑可能会撞击头骨，爆裂血管并擦伤脑组织。有时，撞击会导致大脑从头骨的一侧弹开，然后再弹回另一侧，从而产生对冲伤，其中大脑在撞击部位和另一侧都受到损伤。这种类型的损伤也可能在没有钝器外伤的情况下发生，例如，当士兵的头部被 IED 爆炸非常迅速地移位一小段距离时。
当大脑结构相对于彼此和头骨移动时，组织可能会拉伸甚至剪切。特别是，这种力会拉伸神经轴突，即从主要细胞体延伸出来并在神经元之间传递信息的细长纤维。轴突通常具有弹性，但当快速拉长时，它们会变得脆弱和虚弱。通常轴突会膨胀和撕裂，导致神经元死亡。
这种细胞崩解还会导致神经元释放有毒水平的神经递质（化学信使），从而损害其他神经元。这个过程会引发轴突的进一步退化以及遍布大脑半球的细胞凋亡或程序性细胞死亡。这种弥漫性轴突损伤可能是轻度 TBI 受害者经历的许多持续性认知问题的根本原因。此外，机械力还会引发其他有问题的化学级联反应，这些反应可能导致潜伏性症状，这些症状可能在最初的袭击发生几天后才会出现。
脑震荡可能会改变神经细胞的放电模式。受创伤损害的神经元可能会变得电子不稳定，从而在小脑区域内引起一种神经元静电，尽管这种静电太小而无法在脑电图（EEG）上显示出来，但可能会产生错觉、记忆空白和情绪波动。
尽管轻度 TBI 受害者很少表现出传统的癫痫，但他们的许多症状都类似于一种称为单纯部分性发作的癫痫综合征，其中大脑受限部分细胞电活动异常爆发会在人意识清醒时产生短暂的运动、感觉甚至认知或情感上的怪异现象。（怪异的类型——经历记忆空白、听到想象中的声音或感到一阵焦虑——取决于受影响的大脑部位。）
脑震荡患者的抱怨通常比单纯部分性发作患者的抱怨范围更广。在这方面，他们甚至可能更像被诊断为癫痫谱系障碍的人，其特征是各种感觉、认知和情感症状，类似于杰里米经历的症状。
炮弹休克
除了钝器外伤外，战场上的士兵可能会因穿透性导弹（如子弹和弹片）而遭受脑损伤——这是过去战争（如越南战争）中的主要脑损伤——以及 IED、炸弹、迫击炮等产生的冲击波。在伊拉克和阿富汗战争的退伍军人中，冲击波脑损伤的出现数量创纪录。成百上千的美国士兵带着类似于杰里米的症状从伊拉克返回。
这种与爆炸相关的问题在这些战争中并不是新鲜事。早在第一次世界大战期间，士兵们就报告说，在爆炸发生后出现精神症状以及感觉和认知障碍，这些爆炸没有造成外部可见的损伤。英国陆军医生弗雷德·莫特将大多数此类“炮弹休克”病例归因于精神创伤或情绪困扰。其他医生认为，这种情况是由大脑的器质性损伤引起的，他们引用了脑电图上的变化，类似于闭合性头部损伤所见的变化。
但在 20 世纪 90 年代之前，没有人认真跟进脑损伤理论，当时神经科医生伊博尔亚·切尔纳克（现任约翰·霍普金斯大学应用物理实验室）在她于巴尔干战争期间在贝尔格莱德军事医院的医疗实践中注意到爆炸暴露的影响。切尔纳克反复观察到士兵出现记忆力衰退、头晕和言语问题——明显的脑损伤迹象——他们从未经历过任何直接的钝器外伤。在脑成像研究中，切尔纳克看到了损伤的迹象：出血或脑室扩大（大脑中充满 CSF 的空间）。
从那时起，切尔纳克和其他人的研究暗示，爆炸性脑震荡可能确实会直接导致脑损伤，而不仅仅是通过心理创伤。例如，1998 年，当时在明尼阿波利斯退伍军人事务医疗中心的精神科医生大卫·特鲁多及其同事报告说，在 43 名被诊断患有 PTSD 的战争退伍军人中，有 27 名曾被附近爆炸短暂击倒或击昏，他们表现出异常的脑活动，这是通过定量脑电图评估的。他们的定量脑电图模式与 16 名没有轻度 TBI 病史的 PTSD 患者的模式不同。此外，88% 经历过脑震荡爆炸的退伍军人与 60% 的对照组相比，在注意力和冲动性方面存在重大问题，这表明爆炸除了压力之外还有其他影响。
切尔纳克在 1999 年对 1300 名下半身受伤但头部未受伤的患者进行的研究中报告了类似的发现。她发现，在爆炸中受伤的人中，一年后有 30% 的人表现出异常的脑活动，而受到弹丸伤害的患者中只有 4% 的人表现出异常的脑活动。
但是，路边爆炸如何影响大脑呢？当然，脑损伤可能是由与爆炸相关的钝器外伤引起的。一个人可能会被爆炸产生的物体击中头部——例如弹片或周围建筑物的碎片。同样，一个人可能会被炸出车辆或撞到某些固体结构上，从而遭受类似于头部撞击汽车挡风玻璃时发生的损伤。
压力过大
根据沃尔特·里德陆军医疗中心的神经科医生黛博拉·L·沃登和她的两位同事在 2006 年发表的一篇论文，爆炸产生的快速大气压变化也可能导致脑损伤，或者在没有与固体物体发生任何撞击的情况下也可能导致脑损伤。
研究人员解释说，在爆炸过程中，固体或液体几乎瞬间转化为气体。这些气体暂时占据与固体或液体相同的体积，因此处于极高的压力之下。然后，气体膨胀，压缩周围的空气，形成称为爆炸超压的压力脉冲。随着气体继续在高压区域后方扩散，它们会产生巨大的压力降。
脑组织本身的稠度类似于凝固的奶油冻——但奶油冻的密度不同。当冲击波到达士兵时，高压和低压空气以不同的速率加速密度不同的身体组织。在大脑内部，不同的加速度可能会像钝器外伤一样剪切和拉伸轴突。
然而，压缩波也可能以不同于钝器外伤的方式引发脑损伤。根据华盛顿医疗集团的神经科医生 P·史蒂文·马塞多的说法，冲击波可能会在脑组织中引起空化或气泡。这些气泡随后可能会破裂，留下孔洞。
然而，切尔纳克更倾向于另一种解释。她推测，冲击波冲击身体表面会在主要血管中产生振荡压力波，类似于暴风雨天气中开阔水域的涟漪。然后，这些涟漪通过人的躯干、颈部传递到大脑，而大脑对机械扰动极其敏感。因此，这种血液的动能（运动能量）可能会损害神经元，从而可能导致神经功能缺损。切尔纳克认为，如果轻度 TBI 中涉及这种间接机制，那么预防士兵受伤的措施必须扩展到更好的头盔或其他仅保护头部的措施之外。
无论确切的物理机制是什么，动物研究都支持了压缩波本身——在没有钝器外伤的情况下——会伤害大脑的观点。在 2007 年的一项研究中，日本东北大学的研究人员在移除成年雄性大鼠的部分头骨以暴露其大脑后，将它们暴露于来自实验性爆炸的不同强度的冲击波。科学家们发现，高压冲击波，即那些强度与近距离爆炸相似的冲击波，会导致脑挫伤和出血，从而诱导神经元自杀。
较低压力的波，例如那些可能因轮胎在您脸部附近爆胎而产生的波，可能会扭曲神经元的形状。作者写道，研究结果表明，“冲击波引起脑损伤的阈值可能低于 1 MPa [兆帕]，这比其他器官报告的水平要低。”（1 MPa 约为正常大气压的 10 倍。）此外，他们说，这些冲击波造成的损害类似于其他类型的创伤性脑损伤造成的损害。
除了这些物理力量外，靠近爆炸的心理压力可能会通过大脑中压力激素的过度分泌和作用而导致脑损伤或功能障碍。脑损伤通常与 PTSD 并发，与 PTSD 相关的皮质醇等压力激素水平升高可能会加剧或减缓任何爆炸引起的脑损伤的愈合。事实上，鉴于杰里米表现出明显的 PTSD 迹象：他会经历闪回、避免战争提醒并且容易受到惊吓，因此他的症状可能实际上是由这两种疾病引起的。
更重要的是，包括哈佛大学神经科医生迈克尔·P·亚历山大在内的一些研究人员仍然坚持认为，情绪和精神问题是像杰里米这样的退伍军人所经历的问题的主要原因，即使不是唯一原因。亚历山大在 1995 年发表在《Neurology》杂志上的一篇论文中提出，告诉患者他们的大脑受到了伤害可能会通过让他们认为自己的问题比实际情况更难解决来阻碍他们的康复。
当沃尔特·里德陆军研究所的精神科医生查尔斯·W·霍格和他的同事调查了 2525 名美国陆军步兵士兵在从伊拉克一年的执勤任务返回后三到四个月的情况时，他们发现 PTSD 与轻度 TBI 密切相关。研究人员在他们 2008 年发表在《新英格兰医学杂志》上的论文中得出结论，PTSD 和抑郁症——而不是对大脑的物理冲击——是退伍军人神经系统抱怨（包括易怒和注意力不集中）的可能原因，因为这些精神疾病已与各种身体健康问题有关联。
治疗创伤
无论爆炸、跌倒、车祸或运动损伤后情绪崩溃与器质性脑损伤的相对作用如何，精神问题和脑损伤都是许多患者医疗方程式的一部分。当患者患有 PTSD 或抑郁症时，医生通常会开抗抑郁药和心理疗法，包括个体和团体咨询，杰里米都接受了 PTSD 的治疗。
特别是，PTSD 患者通常对认知行为疗法有反应，在这种疗法中，从业者试图消除扭曲的思维模式并纠正适应不良的行为。一种行为矫正技术是暴露疗法，其中咨询师使用类似于引起创伤性压力的经历来帮助患者习惯这些情况，从而减少其情感影响。患者有时可能会通过虚拟现实计算机程序接受此类暴露，这些程序会重现战区、9/11 袭击世界贸易中心或其他可怕的场景[请参阅尼古拉斯·韦斯特霍夫的“幻想疗法”；大众科学思维，2007 年 10 月/11 月]。
当患者也可能遭受真正的脑损伤时，他或她的病情通常会随着一类称为抗惊厥情绪稳定剂的药物而改善，其中包括丙戊酸和卡马西平，最常用于治疗经典癫痫和双相情感障碍。1997 年，当时在波士顿绿地康复中心的神经精神科医生布鲁诺·弗罗布莱夫斯基和他的同事报告说，用丙戊酸治疗显着减少了经历过钝器 TBI 的患者的破坏性和攻击性行为。杰里米服用了同样的药物，发现它有助于减少他的记忆力衰退、感官错觉和情绪波动。
同样，2000 年，安大略省劳伦森大学的心理学家迈克尔·A·珀辛格报告说，在 14 名在机动车事故中遭受钝器脑外伤后服用卡马西平的患者中，有 12 名“经历了突发性意识模糊和抑郁症的显着减少，注意力和注意力增强，并且消除或减少了令人厌恶的感觉存在”（最后一种是外围视觉中运动的错觉）。没有人确定为什么这些药物可能有效，因为轻度 TBI 患者很少患有经典癫痫，但也许这些药物有助于减轻脑损伤可能引起的神经元之间的一些电不稳定。
大脑也会在受伤后尝试自我修复，科学家们正在努力更多地了解这些修复过程，以期用药物促进这些过程。他们正在开发在 TBI 发生后的最初几个小时内给药的治疗方法，旨在限制任何持续的损伤[请参阅卢卡斯·劳森的“大脑的管道胶带”]。一种更具未来感的方法可能涉及植入神经干细胞，即未成熟的细胞，它们可以产生中枢神经系统中不同类型的成熟细胞，以修复或替换受损的脑组织。
但就目前而言，患者必须依靠抗抑郁药、睡眠药物以及某些情况下的抗惊厥药来缓解症状。许多人还接受认知康复，在认知康复中，他们学习使他们能够规避自身缺陷的策略。例如，当向新认识的人介绍自己时，患者可能会反复排练他或她的名字或使用视觉图像作为记忆线索。
变得更有条理是另一种对认知能力减弱的人有用的技能。一些技巧包括使用每周药盒或为钱包和手机等关键物品找到一个固定的位置。技术还可以帮助患者管理日常生活。例如，杰里米现在使用 PalmPilot 作为他记忆功能不稳定的电子假体。“智能”手机和录音机也可以作为脆弱的人类记忆的备份，使脑损伤患者（更不用说我们其他人）能够在收到关键信息后立即记录下来。
有时，患者必须改变他们的生活方式以适应他们功能下降的能力。例如，他们可能不得不避免过于刺激的社交场合，彻底调整工作时间，辞去有风险或压力大的工作，甚至参加脑损伤患者的住宿计划。杰里米决定辞去他要求苛刻的管理职位，现在正在面试另一份工作。他希望找到一份工作来帮助像他一样正在寻找平民生活新职业的退伍军人。
注：本文最初印刷时的标题为“Impact on the Brain”。