腦漿？大腦真的如同漿糊一樣脆弱？

在科幻小說或是社會新聞版面，常常看到腦漿的名詞使用，讓讀者彷彿能看到畫面的聳動感，譬如腦漿炸裂，又或是老翁腦漿四溢慘死…..等等的用法。

但是整個大腦在腦殼內真的如同漿糊般一樣脆弱嗎？

大腦就跟糨糊一樣脆弱嗎？ 圖／GIPHY

要探討這個問題，其實非常困難。首先就是活體與離體大腦的環境差異。若想要將大腦取出做離體研究，大腦本身會因受到自己的重量而直接塌陷，導致無法精準研究大腦在活體內的真實情況。並且大腦真實的軟硬程度也會受到組織的後處理（像是泡在固定液，或者其他化學藥劑的處理）和溫度影響。

因此，要真正了解大腦在生物體內的物理特性，活體測量是最理想的方式。但由於人體活體實驗受限論理議題，是無法做侵入性的機械式測量的。現今的研究方法大多透過一種稱作剪向波超音波彈性影像（Shear Wave Elastography (SWE) ）的成像方式，又或是透過磁振造影（MRI）來觀察重力影響下大腦在活體內的位移。後者的研究技術應用成果，也是這篇科普文章的討論重點。

2022 年 12 月，英國常春藤羅素集團（The Russell Group）成員之一，卡迪夫大學（Cardiff University）的尼古拉斯．班尼恩（Nicholas Bennion）和他的實驗室團隊透過磁振造影以及他們發展出的一套演算法，推斷出大腦在活體內的物理性質。

他們研究發現大腦比起保麗龍，還要易碎十倍，此研究成果發表於英國皇家學會期刊（Journal of Royal Society）。此研究總共找了 11 位健康的受試者（7 男 4 女），年紀在 22 到 30 歲之間。為了確保大腦是處於靜止不動的狀態，在受試者趴下後 20 分鐘後，會照一張俯臥照（prone image），以及進行一樣的步驟照一張仰臥照（supine image），作為判斷大腦的移位的基準照。

之後，受試者會進行 T1 權重的全腦序列影像（T1-weighted MPRAGE sequences imaging），並從俯臥照到仰臥照執行圖片變形配準（deformable registration），並在個別受試者的整個體積上創建向量位移場（vector displacement field）。最後將所有受試者結果與大腦標準模板，MNI 152，並進行常態化（normalized）。

大腦MRI掃描示意圖。圖／Pixabay。

透過以上核磁照影取得受試者的大腦影像後，下一步就是使用計算模型以及演算法來分析大腦在活體腦殼內的物理特性。作者使用的是有限元素模型設計（Finite-element model design），是人類大腦計算模型上非常常用的模型之一。並結合彈簧元素以及液體結構的交互作用，來表示軟模-蜘蛛膜複合體（pia–arachnoid complex (PAC)）。這個模型可用來表示在俯臥以及仰臥時的重力負載 （gravitational loading）。

最後透過統計軟體的分析，經過有限元素模型以及活體測量數據的比較，試圖找到大腦的物質特性（material properties），如超彈性 Ogden 模型（Ogden hyperelastic model）的各項參數來推斷大腦承受擠壓的情況。

透過有限元素模型建構的蜘蛛膜延伸到軟腦膜的樑的橫切面。圖／Bennion NJ et. al (2022)。

或許大腦在圖片上看起來就像橡膠般堅固，但大腦事實上比大部分人想像中的還要軟，比聚苯乙烯泡沫塑膠（polystyrene foam），俗稱保麗龍，還要脆弱約十倍。其組織的堅硬程度，大概接近一種由吉利丁（gelatin）製成的果凍（就像 JELL-O 一樣）。如果大腦並未做任何保存固定處理，則其堅硬程度是非常非常的低，很容易一擠壓就散掉。

這項研究成果將有助於預測大腦在活體內的移動，讓腦神經外科醫師進行立體定位大腦手術時，減少大腦位置偏移造成的誤差。

美國 Jell-O 果凍，主要是由吉利丁製成。圖／卡夫亨氏（The Kraft Heinz Company）官網

侏儸紀公園果凍。圖／imgur。

大腦的結構或許沒有到漿糊般一樣鬆散脆弱，所以未來當聽到別人對你說「你腦袋裡面裝的都是漿糊嗎？」你可以回覆他「科學研究證明，我們腦袋裝的是果凍，不是漿糊。」

參考文獻

1. Bennion NJ, Zappalá S, Potts M, Woolley M, Marshall D, Evans SL. In vivo measurement of human brain material properties under quasi-static loading. J R Soc Interface. 2022 Dec;19(197):20220557. doi: 10.1098/rsif.2022.0557.
2. https://www.newscientist.com/article/2351525-the-human-brain-can-be-squished-10-times-as-easily-as-polystyrene-foam/

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