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每年春天，美国国家橄榄球联盟（NFL）都会举行备受美国人珍视的传统仪式——大学球员选拔。在此活动前几个月，潜在球员会在一个被称为“联合测试”的体能测试中展示他们的能力。去年的联合测试与往年有所不同。除了传统的 40 码冲刺和卧推外，最新一批的应试者还必须在电脑前花费时间，尝试解决一系列脑力谜题。在一项测试中，屏幕上会随机出现“X”和“O”，让运动员测试他们记忆每个字母位置的能力。在另一项测试中，像“红”和“蓝”这样的词会以不同的颜色出现在屏幕上。橄榄球运动员必须尽快按下按键，以表示该词的颜色是否与其本身匹配。
这些脑力测试并非旨在帮助教练们做出选拔决定。它们是为了球员本身——或者更准确地说，是为了球员的大脑——的利益。在国会压力下，NFL 正在采取措施，以更好地保护其球员免受脑损伤。选拔候选人必须解决的这些小型电脑挑战，可以衡量大脑的一些最关键功能，例如一次处理多条信息的能力。考虑到橄榄球这项运动的性质，今年选拔出的许多球员很有可能在比赛中遭受头部受伤。一旦发生这种情况，NFL 的医生会再次让他们进行相同的测试。通过将新结果与选拔前记录的基线分数进行比较，医生将更清楚地了解球员大脑受损的程度，以及在恢复过程中需要采取何种程度的谨慎。
NFL 对神经科学突然产生的兴趣，只是表明我们作为一个社会，终于开始认真对待脑损伤的最新迹象。这早就该如此了。神经科医生估计，仅在美国，每年就有超过一百万人遭受脑损伤——不仅仅是因为橄榄球事故，还包括车祸、楼梯跌落以及许多其他类型的事故。而这个数字很可能严重低估了，因为许多脑损伤并未被诊断出来。很容易认为，如果在摔倒后感觉还好，那就一定没事，但即使是所谓的轻度脑损伤也可能造成毁灭性的后果。人们的性格可能会改变，导致他们无法保住工作或维持婚姻。有时，“轻度”脑损伤甚至会导致痴呆。
这场隐藏的脑损伤流行病不仅是悲剧，而且是奇怪而神秘的。大脑不像骨骼断裂或皮肤撕裂那样明显地失效。科学家们才刚刚开始发现大脑受伤时发生的细微损伤：它会在分子层面受到干扰。
大脑漂浮在密封的脑脊液室中，就像海绵在水罐里一样。如果你快速坐到椅子上，你的大脑也会随之加速。你产生的力会让大脑在颅骨内旋转和变形。大脑在头部不断地扭曲、拉伸和挤压。考虑到这个器官的脆弱性——活的大脑的质地像卡仕达酱——我们每天都能安全度过而没有遭受严重损伤，这真是令人惊讶。
宾夕法尼亚大学脑损伤与修复中心主任Douglas Smith在过去十年里一直在进行实验，以了解我们是如何在这种规律性的冲击中生存下来的。Smith 通过在连接到定制金属板的可拉伸膜上培养活体大鼠神经元来构建微型大脑。这个金属板大约邮票大小，上面布满了微小的凹槽，沿着一个柔性硅胶条穿过中间。当神经元在两侧生长时，它们会分出长分支，称为轴突，它们沿着凹槽爬行，与其他侧的神经元接触，以在它们之间传递电信号。
一旦轴突成熟，Smith 和他的同事们就会用精确控制的气流喷射金属板。他们将气流对准硅胶条，硅胶条会因此而伸展。在此过程中，空气也会对轴突施加突然的力。然后，Smith 和他的同事们会观察轴突，看看它们是如何应对这种冲击的。
结果表明，轴突具有惊人的弹性。它们可以缓慢拉伸到正常长度的两倍，然后无损地缩回。轴突之所以具有弹性，部分归因于其灵活的内部骨架。与僵硬的骨骼不同，轴突是由结构元件构成的，主要是称为微管的纤维束。当轴突拉伸时，这些微管会相互滑动。如果移动是渐进的，微管在拉伸停止后会立即滑回原位，不会造成任何损害。
然而，如果 Smith 用快速、尖锐的气流冲击，则会发生完全不同的情况。轴突不会平滑地回缩，而是会产生扭结。在接下来的 40 分钟里，轴突会逐渐恢复正常形状，但在一个小时后会出现一系列肿胀。每个肿胀可能比轴突的正常直径宽 50 倍。最终，轴突会破裂。
Smith 认为，这些扭结的形成是因为微管被拉伸得太快而断裂。断裂的纤维无法再整齐地滑回，而是堆积起来，导致了扭结。通常，神经元内的酶会不断地分解微管，并利用回收的部件构建新的微管。但现在，这些酶会攻击微管的断裂端，导致轴突的内部结构溶解。随着微管变成糊状，轴突开始松弛并失去扭结。轴突看起来很正常，但它们已经遭到毁灭性的破坏。
微管不仅为神经元提供结构。它们还充当一种细胞铁路网络。蛋白质通过沿着微管移动，从神经元的一端到达另一端。如果微管断裂，结果就像铁路轨道损坏一样。蛋白质堆积起来，这些交通拥堵导致了 Smith 在实验中看到的轴突肿胀。肿胀会变得非常大，最终破裂，撕裂轴突并喷出受损的蛋白质。
Smith 的发现可以阐明一种常见但令人费解的脑部创伤，称为弥漫性轴突损伤。这种情况发生在人们的大脑受到突然加速时——例如，由炸弹冲击波或汽车碰撞中的挥鞭伤引起。通常，加速会导致人们失去意识。在严重的情况下，它会导致认知任务困难，例如判断单词“红”是否确实用红色印刷。当病理学家对弥漫性轴突损伤患者进行尸检时，他们会看到断裂的轴突及其肿胀的尖端，这与 Smith 在其实验中看到的现象相同。
Smith 的研究还表明，即使是轻微的脑部冲击也可能造成严重伤害。如果他用轻柔的气流冲击他的轴突，它们就不会肿胀和断裂。尽管如此，它们的分子结构还是发生了重大变化。轴突通过吸收带正电的钠离子*来产生允许它们发送信号的电流。Smith 最近发现，中度拉伸轴突会导致钠离子通道功能失调。为了保持电流流动，受损的轴突开始构建更多的通道。
Smith 认为，这样的修复轴突可能还能继续工作，但状态非常脆弱。另一次拉伸——即使是中度的——也可能导致轴突失控。其额外的钠离子通道现在功能失调，轴突试图通过创建更多的通道来补偿。但这些通道现在如此缺陷，以至于它们开始让带正电的钙离子进入。钙原子激活了破坏减缓钠离子通过通道的门的酶，因此现在更多的钠离子涌入——然后更多的钙离子涌入，形成一个失控的反馈循环。轴突就像一个短路的电路一样死亡。
这种较慢的轴突死亡可能发生在某人遭受轻度但反复的脑损伤时，这正是橄榄球运动员在比赛一场接一场的撞击中所经历的那种情况。像今年 NFL 联合测试中的认知测试可以查明因轴突功能失调或死亡而产生的精神困扰。然而，目前几乎没有研究表明橄榄球运动员应该休息多久才能让大脑恢复，而 Smith 的实验并没有提供太多安慰。初步的脑部研究表明，即使在初次拉伸几个月后，轴突仍然很脆弱。
一旦一个人确实遭受了脑损伤，医生们也无能为力。如果颅内压过高，他们可以打开一个洞。但他们没有药物可以治疗实际的损伤。大约有 30 种化合物进入了人体第三阶段试验，但都失败了。
最新的研究可能为科学家们提供更有效的治疗方法。例如，Smith 最近发现，抗癌药物紫杉醇可以稳定神经元中的微管，保护它们在受到剧烈冲击后免于灾难性解体。现在我们知道大脑损伤发生在分子层面，我们或许也能在那里找到治愈受伤大脑的方法。
*更正，2010 年 8 月 23 日：本句原指“带负电的钠原子”。
