Miksi aivot eivät yksinkertaisesti seuraa kalloa päähän kohdistuvassa iskussa.
Päähän kiinnitetty inertia-anturi pystyy mittaamaan, miten pää liikkuu. Se ei pysty mittaamaan suoraan, miten aivot liikkuvat kallon sisällä. Näiden kahden tapahtuman välissä on mekaaninen siirtojärjestelmä, jonka muodostavat kallo, aivo-selkäydinneste, kalvot, suonet sekä aivot, joiden kudos on pehmeää, heterogeenista ja viskoelastista. Tämä siirtymä on yksi syy siihen, miksi kaksi iskua, joilla on samankaltaiset huippukiihtyvyydet, voivat tuottaa erilaisia kallonsisäisiä vasteita.
Yksinkertaisin kuva päähän kohdistuvasta iskusta olisi jäykkä kallo, jonka sisällä on aivot, jotka liikkuvat sen mukana. Todelliset mittaukset eivät tue tätä kuvaa. Kiihdytyksen ja iskun aikana kallo muuttaa liikettään ensin. Aivokudos seuraa osittain, jää osittain jälkeen, muuttaa muotoaan ja jatkaa liikettä sen jälkeen, kun kallon oma liike on jo muuttunut. Aivo-selkäydinneste sallii suhteellisen liikkeen, kun taas aivosirppi (falx), pikkuaivotelttä (tentorium), suonet, aivokammiot ja muut anatomiset rakenteet rajoittavat ja ohjaavat sitä.
Ruumiskokeet, joissa on käytetty implantoituja neutraalitiheyksisiä merkkejä, ovat mitanneet suoraan millimetrimittakaavan aivojen liikettä suhteessa kalloon iskun aikana. Elävillä vapaaehtoisilla merkkiaineistettu magneettikuvaus (tagged MRI) on osoittanut, että jo lievä pään liike tuottaa tilallisesti epätasaisen muodonmuutoksen — rotaatio, ekstensio ja eri kuormitussuunnat kuormittavat eri alueita. Kallonsisäinen vaste ei ole ulkoisen pään kiihtyvyyden skaalattu kopio.
Aivokudos käyttäytyy osittain kuin elastinen kiinteä aine ja osittain kuin viskoosi materiaali. Elastinen materiaali varastoi muodonmuutosenergiaa ja pyrkii palauttamaan muotonsa. Viskoosi materiaali hajottaa energiaa ja vastustaa liikettä ajasta riippuvalla tavalla. Aivokudos tekee molempia, eikä kumpikaan käyttäytyminen ole vakio kaikissa kuormitusolosuhteissa.
Sen näennäinen jäykkyys riippuu siitä, kuinka nopeasti sitä kuormitetaan. Muutaman millisekunnin kestävä muodonmuutos kartoittaa kudoksen mekaanisen vasteen eri osaa kuin hitaampi, kymmeniä millisekunteja kestävä muodonmuutos. Taajuus on tärkeä samasta syystä: korkeataajuiset komponentit vaimenevat yleensä eri tavalla kuin matalataajuiset, ja vaihesuhteet muuttuvat taajuuden mukana. Kudoksen ominaisuudet vaihtelevat myös alueen, suunnan, venymän suuruuden, lämpötilan ja koemenetelmän mukaan.
Ei ole olemassa yhtä, yleispätevää lukua, jota voisi kutsua "aivojen jäykkyydeksi" jokaiselle iskulle — eikä yhtään yleisesti hyväksyttyä mallia, joka muuttaisi mitatun kiihtyvyysaaltomuodon yksiselitteiseksi aivojen venymäkartaksi.
Sana suodatin on hyödyllinen, jos se otetaan kirjaimellisesti eikä kielikuvana. Kallo–aivo-selkäydinneste–aivot-järjestelmä ei välitä jokaista iskun aaltomuodon osaa tasaisesti. Jotkin komponentit vaimenevat. Jotkin viivästyvät. Jotkin virittävät laajempia muodonmuutosmuotoja, jotka jatkuvat sen jälkeen, kun alkuperäinen syöte on jo muuttunut. Syntyvän muodonmuutoksen tilallisen muodon määrää anatomia.
Ihmisellä in vivo tehdyissä tutkimuksissa on tunnistettu vallitsevia muodonmuutosmuotoja noin 7–14 Hz:n alueella lievässä rotaatiossa ja ekstensiossa. Nämä eivät ole yleispäteviä vammataajuuksia, eikä niitä pidä muuttaa kiinteiksi kynnysarvoiksi — mutta ne osoittavat, että elävillä ihmisaivoilla on mitattavissa olevia dynaamisia moodeja ja että lyhyt ulkoinen pulssi voi virittää pidemmän kallonsisäisen vasteen.
Tällä on välitön merkitys päähän kohdistuvien iskujen mittaukselle. Huippukiihtyvyys on vain yksi kuvaus syötteestä. Kesto, nousuaika, kulmanopeus, rotaatioimpulssi, suunta, translaation ja rotaation välinen ajoitus sekä aaltomuodon taajuuskoostumus voivat kaikki vaikuttaa siihen, miten syöte välittyy aivoihin.
Suuressa osassa isoaivoja rotaatioliike liittyy voimakkaasti distortionaaliseen muodonmuutokseen ja leikkaukseen. Kulmanopeus ja aika, jonka kuluessa rotaatio kehittyy, sisältävät usein informaatiota, joka menetetään, kun vain kulmakiihtyvyyden huippuarvo säilytetään. Translaatiolla on edelleen merkitystä, erityisesti paineen, paikallisen kontaktivasteen sekä joidenkin alapuolisten tai rajapintoihin liittyvien vasteiden kannalta. Todelliset iskut yhdistävät yleensä molempia.
Käytännön seuraus ei ole se, että lineaarinen kiihtyvyys tulisi korvata yhdellä rotaatioluvulla. Seuraus on se, että mekaaninen syöte on moniulotteinen. Aaltomuodolla on amplitudi, suunta, kesto, ajallinen rakenne sekä kytkentä translaatio- ja rotaatiokomponenttiensa välillä. Viskoelastisen ja anatomisesti jäsentyneen aivokudoksen vaste voi olla erilainen näiden piirteiden eri yhdistelmille, vaikka tavanomaiset huippuarvot olisivat samankaltaiset.
Aivot eivät ole mekaanisesti tasalaatuiset. Harmaa aine ja valkea aine eroavat mikrorakenteeltaan; valkean aineen säikeet tuovat mukanaan suuntaavuuden. Aivokurkiainen, aivorunko, syvä valkea aine, aivokammioiden reunat, aivouurteet ja mesiaaliset ohimolohkon rakenteet sijaitsevat erilaisissa mekaanisissa ympäristöissä. Aivosirppi ja pikkuaivotelttä rajoittavat liikettä; suonet ovat liikkuvaan kudokseen upotettuja kiinnittyneitä rakenteita; aivo-selkäydinnestetilat muuttavat paikallisia reunaehtoja.
Ihmisen kuvantaminen ja mallinnus viittaavat useisiin mekaanisiin reitteihin yhden yleisen "aivojen venymän" sijaan:
Tällä erottelulla on merkitystä, koska kuvantamislöydös ei ole suora valokuva alkuperäisestä iskun aaltomuodosta. Se on myöhempi, kuvantamismenetelmäkohtainen havainto yhdestä mekaanisen ja biologisen kaskadin haarasta.
Anturi voi mitata tämän järjestelmän ulkoista syötettä, edellyttäen että se on riittävästi kytketty kalloon ja sen mittausrajoitukset ymmärretään.
Jopa validoidut äärellisten alkioiden päämallit voivat tuottaa olennaisesti erilaisia venymäarvioita samalla ulkoisella kinematiikalla. Tulos riippuu anatomiasta, reunaehdoista ja käytetystä aivokudoksen konstitutiivisesta kuvauksesta.
Iskun moniulotteisen kuvauksen tarkoitus ei ole teeskennellä, että jokainen aaltomuodon piirre olisi itse kudosmuuttuja. Tarkoitus on välttää mahdollisesti merkityksellisen informaation hävittäminen ennen kuin mekaanista siirtymäongelmaa on edes tarkasteltu.
Jos kahdella tapahtumalla on sama huippukiihtyvyys mutta ne eroavat kestoltaan, rotaatioimpulssiltaan, kuormitus–purkautumisepäsymmetrialtaan, taajuussisällöltään tai translaatio–rotaatio-organisaatioltaan, viskoelastisen aivokudoksen ei ole pakko vastata niihin samalla tavalla. Tavanomaiset huippumittarit voivat tiivistää mekaanisesti erilaiset tapahtumat samaksi luvuksi. IFS säilyttää enemmän kuormitusaaltomuodon rakenteesta, joten nämä erot pysyvät käytettävissä luokittelua, vertailua ja myöhempää mallinnusta varten.
Redusoidun kertaluvun kallo–aivo-mallit voivat lopulta tarjota hyödyllisiä lisäpiirteitä — kalibroituna arvioimaan vaihe-eroa, vaimenemista, suhteellista liikettä tai valittua venymän korvikesuuretta. Ne tulee kuitenkin pitää nimenomaisesti merkittyinä mallista johdettuina korvikesuureina. Ne eivät korvaa täyttä äärellisten alkioiden mallinnusta, eikä yhden tai kahden moodin esitys pysty palauttamaan mielivaltaisia paikallisia aksonaalisia, verisuoni- tai painevasteita.
Vakiintunut näyttö jo oikeuttaa käsittelemään päähän kohdistuvia iskuja ajasta riippuvina, moniulotteisina mekaanisina tapahtumina. Nämä kysymykset ovat spekulatiivisempia — kiinnostavia suuntia tulevalle työlle, eivät väitteitä.
Voiko pieni määrä kalibroituja moodeja kuvata riittävästi kallo–aivo-vaihe-eroa, vaimenemista ja palautumista tuodakseen hyödyllistä informaatiota puettavan anturin analyysiin — teeskentelemättä rekonstruoivansa paikallista kudosmekaniikkaa?
Mitkä rotaation, translaation, suunnan, keston ja taajuuden yhdistelmät ovat riittävän toistettavia ennustamaan kallonsisäisen muodonmuutoksen laajoja luokkia ihmisten ja iskutyyppien välillä?
Muuttaako mekaanisen tai biologisen palautumisen epätäydellisyys vastetta seuraavaan tapahtumaan — ja voidaanko iskujen sarja kuvata mielekkäämmin kuin laskemalla tapahtumia tai summaamalla huippuarvoja?
Jalkapallossa pään kontakti voi synnyttää hyvin nopean painehäiriön ennen kuin myöhempi karkea pään liike on täysin kehittynyt. Voisiko tämä varhainen mekaaninen tapahtuma muuttaa myöhempää kudos- tai verisuonivastetta — vai onko se biologisesti merkityksetön, kun myöhempi inertiaalinen muodonmuutos on vakioitu? Tämä on yhä todistamaton hypoteesi.
Nämä lähteet riittävät tälle yleisölle suunnatulle liitteelle; taustalla oleva näyttöpohja ja lisämenetelmälliset varaukset ulottuvat syvemmälle.
Kuusi IFS-aluetta, joihin tämä liite viittaa.
Päänliikkeestä kudosmuodonmuutokseen ja neurometaboliseen kaskadiin urheiluaivotärähdyksessä.