研究人員早就知道，女性運動員比男性運動員更容易發生腦震盪，並且常常出現更嚴重的症狀，恢復時間也更長。但女性似乎更容易受到此類傷害的原因長期以來一直是個謎。
腦震盪的症狀包括頭痛、頭暈、意識模糊，以及記憶力喪失、對噪音或光線敏感和易怒。大多數人很快就能康復，但有些人會出現持續一年或更長時間的問題。羅切斯特大學的神經學家傑弗裡·巴扎裡安在2010年領導的一項研究發現，女性——尤其是育齡婦女——在受傷三個月後症狀更嚴重。
已經提出了幾種解釋，包括性激素、頸部結構和腦血流，但沒有人真正知道原因是什麼。然而，現在賓夕法尼亞大學腦損傷與修復中心主任道格拉斯·史密斯領導的一項研究增加了一個新的可能原因：軸突的差異——神經元的輸出“導線”。
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史密斯和他的同事們發現了男性和女性軸突在大小和結構上的差異，並發現女性的結構更容易受到損傷。“這些發現很有趣，”弗吉尼亞大學的神經心理學家唐娜·布羅謝克說，她沒有參與這項研究。“已經提出了許多理論，包括由於文化社會化的差異，女性更傾向於認可症狀。” 但最近發表的新結果“表明女性報告更多症狀是因為她們……正在經歷更多症狀，”布羅謝克說。
每個神經元都有許多輸入，稱為樹突，但通常只有一個輸出：軸突。除了傳遞認知相關的電訊號外，軸突還運輸各種貨物——包括主要用於修復和維護的蛋白質。其他特殊蛋白質透過軸突沿著稱為微管的類似火車軌道的結構運輸這些貨物。腦震盪的一個主要跡象是軸突受損。“人們逐漸達成共識，即腦震盪的一個根本問題是瀰漫性軸突損傷，”史密斯說。這讓他想知道腦震盪的性別差異是否與軸突有關。“大腦結構是否存在差異，”他說，“在相同的機械力作用下，女性大腦可能比男性大腦更容易受傷？”
為了驗證這個想法，研究小組首先使用了一種細胞培養模型，其中兩組神經元被微小的通道隔開，軸突沿著這些通道生長。然後，研究人員使用空氣脈衝快速拉伸軸突，模擬突發的頭部外傷。“我們發現了一個顯著的差異，”史密斯說。“女性軸突有更多的起伏，而且更大，這表明結構損傷更嚴重。” 當微管斷裂時，就會發生起伏。它們的貨物隨後溢位並在軸突中積聚，導致腫脹。正常電訊號傳輸所需的鈉隨後湧入——但過多的鈉實際上會擾亂這種訊號傳導。“在腦震盪中，你的精神狀態會立即發生變化，因為電網被切斷了，”史密斯說。“這就像城市停電或電壓驟降。” 過量的鈉還會導致鈣湧入，啟用破壞軸突內部結構的酶。在受到空氣脈衝衝擊24小時後，女性軸突出現更多的腫脹和訊號丟失。這對於從小鼠身上提取的神經元以及從基因上為男性或女性的幹細胞衍生的人類神經元都是如此。
接下來，研究人員用電子顯微鏡檢查了軸突。他們發現女性軸突更細，微管更少——這一差異之前已被暗示，但從未直接證實。然後，他們使用計算模型來比較不同的男性和女性結構如何對相同的機械力做出反應。女性結構遭受了更多的斷裂。微管由蛋白質連線，這些蛋白質拉伸速度越快，就變得越硬。史密斯說，如果軸突拉伸得太快，這些蛋白質就會拉扯微管並使其斷裂。擁有更多的微管可以使整個結構更穩定。
大多數人經歷的相對快速的恢復可能反映了修復軸突所需的時間——但如果損傷太嚴重，軸突可能會退化。“我們認為這是導致症狀持續存在的途徑，”史密斯說。“高達20%的人存在持續的功能障礙；我們對這些人非常感興趣，因為我們認為他們有永久性損傷。” 如果他是對的，那麼從長期症狀中恢復可能反映了大腦可塑性補償丟失細胞所需的時間。
這種發現能在多大程度上解釋腦震盪的性別差異尚不清楚。“我幾乎可以肯定這不可能是唯一的促成因素，”史密斯說。“這可能是幾個因素之一；時間會證明它起多大作用。” 巴扎裡安說，發病率的差異可能“主要與軸突損傷有關”，但恢復時間是另一個問題。“有很多清理過程會發生，這些過程也可能存在性別差異。” 最重要的是大腦的炎症反應，必須精確控制炎症反應，以便清除廢物而不造成損害。激素調節這個過程，這可以解釋為什麼育齡婦女的結果更差。這些過程的有效性——加上損傷的嚴重程度——很可能決定了恢復時間。“這是兩者的結合，”巴扎裡安說。
需要注意的是，細胞培養和模型與真實大腦極其複雜的環境相去甚遠。“這為下一步奠定了基礎，下一步是找到某種方法來驗證活體人腦中的這些發現，”巴扎裡安說。這將是具有挑戰性的，因為研究人員無法輕易直接檢查活體人腦軸突。然而，有一些方法可以繞過這個問題。例如，研究人員可以研究損傷的間接證據，例如白質的變化。（神經纖維束呈白色，是因為覆蓋和絕緣軸突的髓鞘的顏色。）“這將為使用先進的神經影像技術觀察白質開啟大門，”史密斯說。“在相同的頭部撞擊下，女性的白質會發生更多變化嗎？”
另一種有希望的方法是測量血液中蛋白質的水平。“我們意識到，我們在受傷後的血液中看到了這些軸突蛋白，只有在軸突退化時才會出現這些蛋白，”史密斯說。“希望在未來幾年內，我們將有一種測試方法來識別哪些人將出現長期問題。” 這不僅對診斷有利，對測試治療方法也有利。臨床試驗失敗的原因之一是參與者過於多樣化，因此治療方法並不適合所有人。如果血液測試可以識別出可能出現持續性問題的患者，就可以選擇他們並將其納入針對測試標記的軸突損傷的試驗。