撞到後腦子怎麼了- 腦震盪的生理機制

經過上一篇文章的介紹腦震盪的前世今生,相信大家對於腦震盪歷史的演變、定義以及迷思有更深一層的了解。

接下來的這篇文章,想跟大家簡單分享腦震盪的生理機制,以及這些生理反應跟臨床上症狀的關聯,希望藉由這篇文章能協助各位了解這些生理反應的重要性,以及藉由這些資訊來幫助各位對於選手的衛教。

brain

腦震盪的生理反應


過去關於腦震盪生理、病理的研究大多是來自於使用囓齒類的動物為研究對象的動物實驗(Rodent model),這些實驗幫助研究學者們了解並推測當人體受到腦震盪傷害時,腦部可能會有哪些生理反應的變化。在眾多的研究中,其中又以 Christopher C. Giza 醫師和 David A Hovda 博士聯名發表的 ”The Neurometabolic Cascade of Concussion1 最為廣泛的推崇與引用。於2014 年,這二位學者再度聯名發表 “ The New Neurometabolic Cascade of Concussion2,提供更新的資訊。文中有更詳盡的圖表解釋腦部在經過物理性的撞(衝)擊後,會產生哪些生理的反應。

如果大家有興趣了解原汁原味的資訊,可以參考下面的連結,聽聽看 Giza 醫師在去年密西根大學(University of Michigan)的演講,影片中也釐清很多腦震盪的迷思,我十分推薦。

連結:2019 Concussion Summit Christopher Giza Concussion Pathophysiology

 

簡單來說,在急性期,腦部剛受到力學上的傷害後,最主要有三種生理上的反應(下圖) 2

  1. 離子流動(Ionic flux)
  2. 以及不正常谷氨酸的釋放 (indiscriminate glutamate release)。
  3. 細胞骨架及軸突受損 (Cytoskeletal Damage and Axonal Dysfunction)

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離子流動

大量鉀 (Potassium, K+ )離子流出神經細胞外,而大量鈣 (Calcium, Ca2+)流入神經細胞內。

 不正常谷氨酸的釋放

谷氨酸(神經傳導物質)使突觸後神經細胞(post-synaptic nerve)興奮,產生一系列的骨牌效應 (cascade)。

細胞骨架及軸突受損

當外力傳遞到神經元時會使顯微組織(microstructural component)包含樹突(dendrite)、軸突(axon)及星狀細胞組織(Astrocytic process)受到牽扯而受損,隨著鈣離子的進入軸突的神經纖毛(neurofilament)使其磷酸化,最後整個神經細胞結構的完整性會奔崩離析,神經細胞功能受損,以及發炎現象。

 

為了使離子濃度回到平衡,離子幫浦(ATP- pump)需要不斷運作,加上鈣離子也進入細胞內的粒腺體(mitochondria)使葡萄糖轉化 ATP 的功能下降,最後粒腺體受損,不斷的惡性循換下最終耗盡所有的 ATP,進而產生能量饑荒(Energy Crisis)這種現象。

能量饑荒(Energy Crisis)

也就是(下圖)2 所看到的,因應離子幫浦運作的需求,對葡萄糖 (glucose)的需求量在短時間迅速增加,然後供不應求,緊接著下降。而且大腦內葡萄糖濃度低下的狀況(能量饑荒)持續7 – 10 天後才能恢復到正常值,而且時間的長短則跟年齡的有關。二位學者稱這段期間為「機能低下期 (hypometabolic period)」,也是腦部較為脆弱且易受二次傷害的高風險期。 這種因外力產生的機能低下期,在早前的研究發現與空間位置上的行為與動作障礙有關3,4

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生理反應與臨床症狀


雖然上述的研究說明了腦震盪造成的生理反應,那這些生理上的改變又跟腦震盪的臨床症狀有什麼關聯呢?

兩位學者也幫我們統整了所有生理反應以及相對應的臨床症狀(下表)2。如果要一一介紹,可能會花費太大的篇幅,所以這邊只簡單探討最常見的臨床症狀-偏頭痛(migraine),以及為什麼在機能低下期要好好保護腦震盪的人。如果對其他部分很有興趣的夥伴,歡迎來信討論。

 

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  1. 離子流動和頭痛

不可否認,腦震盪和偏頭痛有許多相似的臨床症狀,如:頭痛、頭暈、噁心以及畏光。在一譜系偏頭痛(familial hemiplegic migraine)的研究中發現,當患者帶有 CACNA1A 基因突變時,對於例如像腦震盪等的輕微的頭部創傷(mild traumatic brain injury, mTBI)較為敏感,且大腦內神經的離子通道呈現異常或者離子代償的現象5。Giza 與 Hovda 推斷這些現象與腦震盪的生理反應相似,所以也將 CACNA1A 基因的異常當作是腦震盪的風險因子。2

臨床而言,基因檢測並不適用每個人,但是如果了解選手的傷病史及家族史,也許能將他們納入腦震盪的風險族時,所以在訓練、練習跟比賽,就能多留意他們。另一方面,也能藉由這些資訊來幫助臨床工作者做評估的考量,到底這些症狀是來自於腦震盪的影響,還是偏頭痛。

 

  1. 能量飢荒和腦部脆弱的時期

臨床上相信大家都同意,如果運動員有受某種傷害的經歷,受到相同運動傷害的風險會比沒有過去病史的人高。在幾個前瞻性研究 (Prospective study)指出,如果讓腦震盪的運動選手持續參與練習或競技活動,在受傷後的前十天相對於沒有腦震盪的選手更容易得到腦震盪,因而造成二次腦震盪的傷害。6–8

當然其中還有其他因素造成受傷的選手更容易受到二次傷害,但是大腦缺乏葡萄糖的供給可能是其中一個風險因子。如果我們了解腦震盪傷害發生後的十天內是二次腦震盪的危險期,臨床上在急性傷後的處理以及選手的生涯,確保運動員可以有完整的休息,避免可能產生二次傷害的機會就是非常關鍵的作法。

 

 

二次撞擊症候群 Second Impact Syndrome/ SIS

相信有接觸過腦震盪衛教的大家,都有聽過這個令人聞風喪膽的Second Impact Syndrome(SIS)。

這裡先簡略的跟大家分享,什麼是 SIS,首先 SIS 跟上文提到二次腦震盪是不一樣的運動傷害。SIS 是一種致命的運動傷害,通常是伴隨著第一次的頭部傷害,例如腦震盪,隨後在第一次傷害未恢復前的期間,頭部再一次受到撞擊引發後續的瀰漫性腦部水腫(Diffuse cerebral swelling),造成死亡。

 

這裡有一些相關的訊息,連結:Second Impact Syndrome

延伸閱讀:運動員疑似有腦震盪,何時該停止運動?

 

個人觀點


雖然沒有說明每一個細節,但是這篇分享帶入許多關於腦震盪影響大腦的生理機制所引發的臨床症狀,閱讀起來相當熬口。但是我相信這些研究成果能夠幫助我們更加了解腦震盪的全貌,有助於其他學者實行下一步的研究計畫,來回答更廣泛及細膩的問題,還有提出更有效、全面的建議。

另一方,臨床工作者也可以藉由這些研究成果,釐清現行腦震盪處理原則的原因,以及透過吸收並內化這些資訊來加強對於服務對象衛教的強度。

下一篇文章,我想分享有關於二次撞擊症候群 的資訊,這部分會相對直白分成研究與臨床來討論,最後加上自己的一些看法。如果篇幅允許,會先簡略附上目前腦震的評估工具以及復健的原則。

 

作者:

周宗燁 TsungYeh Chou
博士生 University of Delaware 運動力學與動作學系
Research Coordinator for NCAA-DoD CARE consortium

編修:黃昱倫 Yu-Lun (Anita) Huang

 

引用文獻:

  1. Giza CC, Hovda DA. The Neurometabolic Cascade of Concussion. J Athl Train. 2001;36(3):228-235.
  2. Giza CC, Hovda DA. The new neurometabolic cascade of concussion. Neurosurgery. 2014;75(4):S24-S33. doi:10.1227/NEU.0000000000000505
  3. Yoshino A, Hovda DA, Kawamata T, Katayama Y, Becker DP. Dynamic changes in local cerebral glucose utilization following cerebral concussion in rats: evidence of a hyper- and subsequent hypometabolic state. Brain Res. 1991;561(1):106-119. doi:10.1016/0006-8993(91)90755-K
  4. DA. H. Metabolic dysfunction. In: Narayan RK, Wilberger JE, Povlishock JT, eds. Neurotrauma. 1996;NY: McGraw:1459-1478.
  5. Kors EE, Terwindt GM, Vermeulen FLMG, et al. Delayed cerebral edema and fatal coma after minor head trauma: Role of the CACNA1A calcium channel subunit gene and relationship with familial hemiplegic migraine. Ann Neurol. 2001;49(6):753-760. doi:10.1002/ana.1031
  6. Giza CC, Mandel S, Gronseth GS, et al. Summary of evidence-based guideline update: Evaluation and management of concussion in sports: Report of the Guideline Development Subcommittee of the American Academy of Neurology. Neurology. 2013;80(24):2250-2257. doi:10.1212/wnl.0b013e31828d57dd
  7. McCrea M, Guskiewicz K, Randolph C, et al. Effects of a symptom-free waiting period on clinical outcome and risk of reinjury after sport-related concussion. Neurosurgery. 2009;65(5):876-882. doi:10.1227/01.NEU.0000350155.89800.00
  8. Guskiewicz KM, Mccrea M, Marshall SW, et al. Cumulative Effects Assocaited With Recurrent Concussion in Collegiate Football Players The NCAA Concussion Study. J Am Med Assoc. 2003;290(19):2549-2555.

 

延伸閱讀:

腦震盪的前世今生

運動常見的「運動猝死之預防」系列文:重大腦部傷害

美國運動傷害防護協會立場聲明:競技運動場上的腦震盪處理-1

美國運動傷害防護協會立場聲明:競技運動場上的腦震盪處理-2

運動員疑似有腦震盪,何時該停止運動?

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