研究人员早就知道，女性运动员比男性运动员更容易发生脑震荡，并且常常出现更严重的症状，恢复时间也更长。但女性似乎更容易受到此类伤害的原因长期以来一直是个谜。
脑震荡的症状包括头痛、头晕、意识模糊，以及记忆力丧失、对噪音或光线敏感和易怒。大多数人很快就能康复，但有些人会出现持续一年或更长时间的问题。罗切斯特大学的神经学家杰弗里·巴扎里安在2010年领导的一项研究发现，女性——尤其是育龄妇女——在受伤三个月后症状更严重。
已经提出了几种解释，包括性激素、颈部结构和脑血流，但没有人真正知道原因是什么。然而，现在宾夕法尼亚大学脑损伤与修复中心主任道格拉斯·史密斯领导的一项研究增加了一个新的可能原因：轴突的差异——神经元的输出“导线”。
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史密斯和他的同事们发现了男性和女性轴突在大小和结构上的差异，并发现女性的结构更容易受到损伤。“这些发现很有趣，”弗吉尼亚大学的神经心理学家唐娜·布罗谢克说，她没有参与这项研究。“已经提出了许多理论，包括由于文化社会化的差异，女性更倾向于认可症状。” 但最近发表的新结果“表明女性报告更多症状是因为她们……正在经历更多症状，”布罗谢克说。
每个神经元都有许多输入，称为树突，但通常只有一个输出：轴突。除了传递认知相关的电信号外，轴突还运输各种货物——包括主要用于修复和维护的蛋白质。其他特殊蛋白质通过轴突沿着称为微管的类似火车轨道的结构运输这些货物。脑震荡的一个主要迹象是轴突受损。“人们逐渐达成共识，即脑震荡的一个根本问题是弥漫性轴突损伤，”史密斯说。这让他想知道脑震荡的性别差异是否与轴突有关。“大脑结构是否存在差异，”他说，“在相同的机械力作用下，女性大脑可能比男性大脑更容易受伤？”
为了验证这个想法，研究小组首先使用了一种细胞培养模型，其中两组神经元被微小的通道隔开，轴突沿着这些通道生长。然后，研究人员使用空气脉冲快速拉伸轴突，模拟突发的头部外伤。“我们发现了一个显著的差异，”史密斯说。“女性轴突有更多的起伏，而且更大，这表明结构损伤更严重。” 当微管断裂时，就会发生起伏。它们的货物随后溢出并在轴突中积聚，导致肿胀。正常电信号传输所需的钠随后涌入——但过多的钠实际上会扰乱这种信号传导。“在脑震荡中，你的精神状态会立即发生变化，因为电网被切断了，”史密斯说。“这就像城市停电或电压骤降。” 过量的钠还会导致钙涌入，激活破坏轴突内部结构的酶。在受到空气脉冲冲击24小时后，女性轴突出现更多的肿胀和信号丢失。这对于从小鼠身上提取的神经元以及从基因上为男性或女性的干细胞衍生的人类神经元都是如此。
接下来，研究人员用电子显微镜检查了轴突。他们发现女性轴突更细，微管更少——这一差异之前已被暗示，但从未直接证实。然后，他们使用计算模型来比较不同的男性和女性结构如何对相同的机械力做出反应。女性结构遭受了更多的断裂。微管由蛋白质连接，这些蛋白质拉伸速度越快，就变得越硬。史密斯说，如果轴突拉伸得太快，这些蛋白质就会拉扯微管并使其断裂。拥有更多的微管可以使整个结构更稳定。
大多数人经历的相对快速的恢复可能反映了修复轴突所需的时间——但如果损伤太严重，轴突可能会退化。“我们认为这是导致症状持续存在的途径，”史密斯说。“高达20%的人存在持续的功能障碍；我们对这些人非常感兴趣，因为我们认为他们有永久性损伤。” 如果他是对的，那么从长期症状中恢复可能反映了大脑可塑性补偿丢失细胞所需的时间。
这种发现能在多大程度上解释脑震荡的性别差异尚不清楚。“我几乎可以肯定这不可能是唯一的促成因素，”史密斯说。“这可能是几个因素之一；时间会证明它起多大作用。” 巴扎里安说，发病率的差异可能“主要与轴突损伤有关”，但恢复时间是另一个问题。“有很多清理过程会发生，这些过程也可能存在性别差异。” 最重要的是大脑的炎症反应，必须精确控制炎症反应，以便清除废物而不造成损害。激素调节这个过程，这可以解释为什么育龄妇女的结果更差。这些过程的有效性——加上损伤的严重程度——很可能决定了恢复时间。“这是两者的结合，”巴扎里安说。
需要注意的是，细胞培养和模型与真实大脑极其复杂的环境相去甚远。“这为下一步奠定了基础，下一步是找到某种方法来验证活体人脑中的这些发现，”巴扎里安说。这将是具有挑战性的，因为研究人员无法轻易直接检查活体人脑轴突。然而，有一些方法可以绕过这个问题。例如，研究人员可以研究损伤的间接证据，例如白质的变化。（神经纤维束呈白色，是因为覆盖和绝缘轴突的髓鞘的颜色。）“这将为使用先进的神经影像技术观察白质打开大门，”史密斯说。“在相同的头部撞击下，女性的白质会发生更多变化吗？”
另一种有希望的方法是测量血液中蛋白质的水平。“我们意识到，我们在受伤后的血液中看到了这些轴突蛋白，只有在轴突退化时才会出现这些蛋白，”史密斯说。“希望在未来几年内，我们将有一种测试方法来识别哪些人将出现长期问题。” 这不仅对诊断有利，对测试治疗方法也有利。临床试验失败的原因之一是参与者过于多样化，因此治疗方法并不适合所有人。如果血液测试可以识别出可能出现持续性问题的患者，就可以选择他们并将其纳入针对测试标记的轴突损伤的试验。