啄木鸟整天都在树干上敲击头部，用喙啄洞，并将昆虫从洞中挖出来作为食物。鸟类独特的鼓声和钻孔声使研究人员假设，啄木鸟喙和脑壳之间的骨骼必须吸收震动，以保护它们的大脑免受脑震荡。但一项新的研究表明，它们的头部和喙就像一个坚硬的锤子，以实现最佳的啄食性能，而不是一个缓冲大脑的减震系统。
“这种鸟整天要做的事情就是在木头里钻洞。非常重要的是，这项工作必须非常高效，”萨姆·范·瓦森伯格解释说，他是比利时安特卫普大学的进化生物力学家，也是这项新研究的负责人。如果啄木鸟吸收了它 направляет 向树木传递的部分能量，那么传递给树干的能量就会减少，它必须更加用力地啄食才能钻出洞。“因此，你越思考这个问题，就越觉得减震是不合理的，”范·瓦森伯格说。“但这必须经过测试。”
为了调查这个问题，欧洲和加拿大的研究人员使用了高速视频，拍摄了三种啄木鸟的活动。他们跟踪了啄木鸟头部不同部位的运动，因为这些鸟在敲击树木，并假设如果存在任何缓冲作用，则可以通过检测脑壳与喙在撞击木材时相比减速较慢来证实。但这并不是该团队的发现。相反，头部像一个坚硬的锤子一样运作，几乎没有或根本没有振动阻尼。研究结果于 7 月 14 日发表在《当代生物学》杂志上。
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1970 年代之前的研究从理论角度考察了这个问题，但这项研究是第一个捕捉高速视频以确定有多少力被加载到啄木鸟的喙上，并分别加载到它们的大脑上，神经生物学家丹尼尔·托比安斯基说，他在马里兰州圣玛丽学院研究啄木鸟，但没有参与这项研究。
那么啄木鸟是如何避免脑震荡的呢？研究人员使用模拟来计算撞击对鸟类大脑的影响，并将其与人类脑震荡引发力的阈值进行比较。对于人类来说，大约 135 g 的冲击力会产生脑震荡。但啄木鸟要小得多。它们大脑的长度约为人类的七分之一，这意味着它们可以承受高出七倍的力，范·瓦森伯格解释说。根据模型，啄木鸟大脑承受的力低于危险阈值的两倍。“因此，它们可以以更高的速度撞击树木，仍然不会遭受脑震荡，”他说。“关键是啄木鸟的头部比人类的头部小得多。”
但托比安斯基指出，在橄榄球运动员中，慢性创伤性脑病 (CTE) 脑损伤最常见于那些接受反复、亚脑震荡冲击的进攻线锋。因此，即使是亚脑震荡事件也可能对大脑产生不利影响，啄木鸟可能具有一些尚未确定的生理机制来保护它们的大脑免受这些反复的亚脑震荡损伤。托比安斯基及其同事的研究表明，类固醇激素（如雄激素和雌激素）可能对鸟类的大脑具有保护作用。
大脑保护的生理学尚未得到充分理解。然而，似乎很明显的是，鉴于这些未知因素，啄木鸟的脑壳并不是启发人类头盔设计的良好模型。也许令人惊讶的是，甲壳纲动物，一类专门从事硬化外壳的动物，可能会为如何进行下去提供更好的见解。
大螯鼓虾（Alpheus heterochaelis）最显著的特征是它的大螯——一种领地性动物经常用来与入侵者战斗并保卫家园的武器，它是一种生活在热带和亚热带水域的小型沿海海洋甲壳纲动物。这种螯由柱塞和一个孔组成，通过闩锁机制操作，以惊人的速度将柱塞射穿孔。这会导致一股水射出，形成一个低压区域，射流在该区域沸腾成气泡。所谓的空化气泡会破裂，产生噼啪声和短暂的闪光。但鼓虾螯的主要产物是高振幅压力波，会对软组织（如大脑组织）造成损害。
当两只鼓虾发生战斗时，每只虾都会在离对手一厘米的范围内进行噼啪声，试图在液压胆小鬼游戏中吓唬对方。来自噼啪声的压力波会造成脑损伤。
南卡罗来纳大学和塔尔萨大学的一个研究小组现在揭示了这些鼓虾应对持续冲击的秘密。它们配备了一种透明的、类似护目镜的结构，称为“眼眶罩”，覆盖着它们的眼睛，并保护它们的大脑免受压力波的冲击。研究人员于 7 月 5 日在《当代生物学》杂志上报告了他们的发现。
“关于武器的进化已经有很多研究，而关于‘你如何防御它们？’的研究相对较少，”梅丽莎·休斯说，她在南卡罗来纳州查尔斯顿学院研究鼓虾，但没有参与这项研究。在这种情况下，这个问题特别有趣，因为这种武器会发出噼啪声，这可能对鼓虾自身及其对手有害。“因此，你需要双重保护——既要保护自己免受他人的攻击，也要保护自己免受自身武器的使用，”她解释说。
为了了解鼓虾如何应对频繁暴露于来自竞争对手（以及它们自己的螯）的冲击波，研究人员手术切除了部分动物的眼眶罩。该团队将没有眼眶罩的鼓虾暴露于来自其他鼓虾的冲击波，发现它们变得迷失方向，并失去了对肢体的运动控制，有时是永久性的，这是脑损伤的迹象。相比之下，暴露于冲击波的完整动物没有这些问题，并表现出正常的行为。
接下来，研究人员使用微型传感器来测量鼓虾暴露于噼啪声时眼眶罩内外压力。他们发现，平均而言，眼眶罩将冲击波的幅度降低了一半。“当我们有一只戴着头盔的动物时，它在减弱这些冲击波方面非常有效，因此我们到达头盔下大脑的能量更少，”塔尔萨大学的生物学家，该研究的主要作者亚历山德拉·金斯顿解释说。但是，当眼眶罩被移除时，冲击波会以全强度到达大脑，这意味着“没有眼眶罩就意味着没有保护”。
这些护目镜究竟是如何有效地保护动物的大脑的？金斯顿及其同事假设，冲击波迫使水从眼眶罩中排出，从而将其能量转移到向下和远离动物排出的水中，而不是穿过其组织传播。
为了验证这个想法，他们将一些鼓虾的护目镜粘合起来，阻止水从眼眶罩中排出。研究小组发现，当这些鼓虾暴露于冲击波时，冲击波会穿过密封的护目镜并击中大脑，就好像眼眶罩真的不存在一样。这表明，将水从眼眶罩底部排出的能力对于保护大脑至关重要。
研究人员说，了解这些微型头盔的工作原理可能会启发人们设计设备，以保护人类免受创伤性脑损伤。爆炸产生的冲击波会对旁观者造成毁灭性的脑损伤。轻度创伤性脑损伤是军事人员最常见的损伤类型之一。即使是装甲车也不能抵御冲击波。“它们会直接穿过它们，”南卡罗来纳大学的视觉生态学家，该研究的资深作者丹·斯派塞解释说。
斯派塞说，啄木鸟和鼓虾是“似乎整天、每天都冒着脑损伤风险的两种动物”。但幸运的是，它们保护大脑的生理和生物力学技巧可能会启发新的医疗或工程解决方案，以预防士兵和运动员的脑损伤。
本文的一个版本，标题为“硬碰硬”，已改编收录在 2022 年 10 月号的《大众科学》杂志中。