人間の脳は、発泡スチロールの10倍も簡単に壊れてしまう事が分かった

人間の脳は、まだまだ完全には解明されていない臓器の1つで、多くの謎を秘めている。その能力に関する研究が注目されることが多いが、今回の研究はその強度について解明した物となる。それによると、我々の脳は、発泡スチロールよりも10倍簡単に壊れるとのことだ。

英国のカーディフ大学のNicholas Bennion教授らのチームによって行われた。

とはいえ、この実験は実際に発泡スチロールと脳とをハンマーで叩いたりして強度を比較したわけではない。

New Scientistによって紹介されているように、チームは、患者がうつ伏せに寝た後、上を向いて頭蓋骨の中の脳の配置を移動させたMRIスキャンに機械学習アルゴリズムを組み合わせて、脳と頭蓋骨をつなぐ組織のさまざまな材料特性を決定した。これにより、脳の圧力による崩壊能力、横方向に押されたときの反応、結合組織の弾力性などを測定した。

「何も保存されていない脳は、驚くほど硬度が低く、簡単にバラバラになってしまうのです。脳は、おそらく多くの人が思っているよりもずっと軟らかいのです」とBenion教授は述べている。

脳は発泡スチロールよりも柔らかいだけでなく、横からの圧力に対する反発力がゴムの1,000分の1であり、ゼラチンの板と同じように柔軟であることがわかったのである。

このMRI研究は、カーディフ大学脳イメージング研究センターと共同で、22歳から30歳の11人の被験者（男性7人、女性4人）を対象に行われた。20分間のうつ伏せ前条件の後、脳が完全にリラックスしたことを確認するため、うつ伏せの写真は1枚だけ撮影された。その後、典型的な仰向けへと移行した後、再びスキャンを行った。

うつ伏せの画像と仰向けの画像は、まず頭蓋骨のみのアフィン変換を用いて位置合わせを行い、大脳全体の変位を計測した。次に、仰向けから変形レジストレーションにより、被験者個人空間における全容積のベクトル変位フィールドを作成した。

カリフォルニアのスタンフォード大学の Ellen Kuhl教授によれば、脳は非常に柔らかく、非常に壊れやすいということは以前から研究者の間では知られていたが、今回の研究によって、その概念が、繊細な外科手術の手順によりよく伝わるように正確になったとのことである。

また、マサチューセッツ工科大学のKrystyn Van Vliet教授は、この新しい方法では、コンタクトスポーツや交通事故による頭部外傷など、体位変換よりも激しい運動時の脳の変形を十分に捉えることができないかもしれない、と言う。

研究チームは、このモデルを用いて、術前のMRI画像をもとに、患者一人ひとりの手術中に起こる脳の変化を予測したいと考えている。これにより、適切な位置が見つかるまで何度も道具を脳に埋め込む必要がなくなり、より低侵襲な手術が可能になるかもしれない。

研究の要旨

脳の計算モデリングには，関係する組織を正確に表現することが必要だ。特に、脳外科手術のような低ひずみ率では、流体の再分配が生体力学的に重要であるため、機械的試験には多くの課題がある。FEBioでは、脛骨くも膜複合体（PAC）のバネ要素／流体-構造相互作用を表現した有限要素（FE）モデルを作成した。このモデルは、伏臥位と仰臥位で重力を表現するように荷重がかけられた。統計ソフトウェアを用いて材料パラメータの同定と感度解析を行い、FE 結果とヒトの in vivo 測定値を比較した。脳オグデンパラメータμ、α、kの結果は、670Pa、-19、148kPaとなり、文献で報告されている値を支持する結果となった。また、膜の剛性は1.2MPa、PACの面外引張剛性は7.7kPaのオーダーの値が得られた。脳の位置移動は非剛体的であり、組織内の液体の再分配が主な原因であることがわかった。我々の知る限り、頭蓋内組織の材料特性を推定するために、in vivo のヒトのデータと重力負荷を用いた最初の研究である。このモデルは、定位脳外科手術における脳の位置ずれの影響を軽減するために応用できる可能性がある。