1960年12月，當選總統約翰·甘迺迪為《體育畫報》撰寫了《軟美國人》一文，他在其中講到了體能對腦健康的重要性：「體能不僅是身體健康最重要的關鍵之一，也是充滿活力和創造性的智力活動的基礎。」
就像甘迺迪的許多公開講話一樣，這些有先見之明的話語直到今天仍然是正確的。神經科學家不斷地發現身體健康和腦健康之間在許多層次上的顯著聯繫：這些層次包括認知、行為、社交、情緒等多個層次。
- EGADS -
甘迺迪指出，拳擊是古希臘各個城邦為增強國民體質所提倡的運動之一。但是說拳擊可以促進 「充滿活力和創造性的智力活動」的想法，當然就像當時《體育畫報》封底的萬寶路香菸廣告一樣與現在的認識背道而馳。雖然甘迺迪沒有提到其他碰撞運動的名字，但我們可以合理地推測，美式足球也會成為他強身健體和心理健康的運動之一。
從2019年的角度來看，甘迺迪總統在宣傳運動對腦健康的好處時，卻忽視了和運動有關的腦損傷的風險，這似乎令人震驚。然而，在1960年，當他提出一項全面的國家計劃來提高身體素質的時候，還沒有人注意到和運動相關的頭部創傷對腦發育和功能的不利影響。
即使在45年後，當《神經外科學》雜誌報導了」鐵人邁克」韋伯斯特的慢性外傷性腦病時，運動相關頭部外傷的不良影響在很大程度上依然不為公眾所知，即使往輕裡說，也可以說是醫學界對此普遍認識不足。
值得注意的是，韋伯斯特本人在打球期間從未被診斷出過腦震蕩或其他形式的腦損傷。從那以後，人們的態度發生了巨大的變化，但我們對頭部外傷及其不良影響的理解究竟是如何深化的？而最為重要的一點是，我們不斷深入的知識究竟將如何具體指導今後的前進道路？
什麼是與運動相關的頭部損傷？
在運動過程中，腦部的損傷一般是由於腦在顱內急劇加速，這有時被稱為 「閉合性頭部損傷」。當頭部受到衝擊時，外力使腦在顱骨內發生震動。根據牛頓運動第三定律，腦會先向衝擊點移動，然後反向運動。
然而，更為重要的是，偏離中心的撞擊不可避免地會產生旋轉力，導致腦的扭曲和拉伸。值得注意的是，頭部的撞擊力本身並不直接加在腦組織上。因此，雖然頭盔和襯墊能有效防止骨折和內出血，但卻不能保護腦免受加速度造成的傷害。
- David Plunkert -
在球場上，腦部外傷是通過觀察到有腦功能障礙的跡象才發現的，而不是通過任何特定的診斷檢查查出來的。最常見的情況是，運動相關的腦外傷會導致球員出現短暫的發呆、迷失方向和迷茫。其他症狀包括平衡問題、頭暈、噁心和頭痛等。傷勢較嚴重時，球員可能會在短暫或較長時間內昏迷不醒。
其程度從沒有症狀的亞腦震蕩到輕度或更嚴重的腦外傷。反覆受傷可能會導致比單次受傷更糟糕的結果。長期來看，多次撞擊所造成的聚集性損傷可能會導致神經變性之類的慢性外傷性腦病。慢性外傷性腦病是一種退行性腦疾病，在運動或軍事戰鬥中重複性頭部損傷後多年，會產生情緒、行為和認知方面的問題。
腦外傷一般根據其造成的無意識狀態的持續時間進行分類。青少年中與運動有關的腦外傷絕大部分屬於輕度腦外傷，即完全不發生昏迷或昏迷時間少於20分鐘。腦震蕩是輕度腦外傷的同義詞。雖然一般不需要進行診斷性檢查來檢測運動相關腦震蕩，但有研究應用了腦成像和別的檢查方法，其結果表明，運動相關的腦震蕩會改變腦的結構和功能。
腦外傷後的恢復程度和最終結果取決於許多因素，如年齡和性別。有某些基因變體的傷員在嚴重的腦外傷後產生不良後果的風險升高了，新的研究結果表明，這種基因和其他基因變體也可能對腦震蕩的恢復產生不利影響。許多尚未完全了解的環境因素也可能會影響風險。
例如，損傷前較高的智力功能起保護性作用。在單次運動相關的腦震蕩後，症狀通常會很快完全消失。95%以上的青少年運動員會在三個月內康復。如果症狀持續超過三個月，可能會診斷出腦震蕩後綜合症。
藥物和其他治療方法可用於治療運動性腦震蕩的症狀，但目前還沒有發現藥物或生物治療可以阻止症狀的發展或縮短康復時間。我們還在等待開發出有效的治療方法，但是在醫生監督下的結構性康複方案，特別是在何時可以安全地重返賽場，可以最大限度地增加完全康復的機會。
在碰撞運動的比賽過程中，頭部會受到多次撞擊，這些撞擊並不表現出明顯的腦損傷跡象或症狀。但是這些 「亞腦震蕩」的撞擊仍然會對腦施加力，並可能誘發類似於明顯腦震蕩的亞臨床病理變化。事實上，我們發現，亞腦震蕩事件可能與大多數運動員沒有注意到的腦部症狀有關，這些症狀可以通過仔細詢問而加以發現。
亞腦震蕩撞擊還與腦功能和微觀結構的客觀改變有關，這些變化可以由腦電圖、核磁共振成像以及正規的認知和平衡測試檢查出來。在運動員的一生中，反覆的頭部亞腦震蕩撞擊的嚴重性，是目前備受關注的焦點。
例如，有研究表明，在前美國橄欖球聯盟的球員中，12歲之前就開始搶球與晚年認知功能更差有關。此項研究和其他研究指出，與足球、橄欖球、曲棍球、長曲棍球和其他碰撞性運動類似，搶球讓球員們受到成百上千次的撞擊，其中只有少數幾次會造成公認的腦震蕩。
看來這些撞擊可能是有影響的，比起少數幾次孤立的腦震蕩傷害，這樣大量的撞擊總體所造成的影響可能更為嚴重。然而，對此我們還剛剛開始有所認識。
- Benedetto Cristofani -
撞擊頭部可能會造成嚴重的急性損傷，如顱骨骨折和血腫，血腫可能發生在硬膜外，也可能發生在硬膜下。腦組織內出血可能是由於組織或血管撕裂導致的。在早期的美式橄欖球運動中，由於這些較嚴重的損傷而導致死亡是一個主要問題，但在現代的碰撞運動中卻非常少見。
頭盔、軟墊頭套和球門柱上加了軟墊，通過將衝擊力分散在較大的表面積上以減輕其嚴重程度，從而降低了顱骨骨折和硬膜外或硬膜下血腫等併發症的風險。但保護性頭套並不能減輕因顱內腦組織加速導致的腦損傷。
加深我們對腦損傷的理解
人腦是一個精緻而複雜的信息處理系統。在柔軟而膠狀的1400克左右的新鮮腦中，有1000億個神經元，每個神經元都向外發出一支軸突，這是一個最長可達一米的絲狀突起，向附近的神經元和向脊髓發送電化學信息。
一個軸突的直徑只有一個紅細胞的十分之一。軸突構成了大腦的網絡線路，通過多達四千億個網絡連接傳遞信息，使神經元能夠共同處理信息。
值得注意的是，腦不能切換到無線網絡的模式進行工作；我們完全依賴它的物理網絡來實現簡單功能，比如運動，而對那些體現我們人性的複雜行為，比如記憶、想像、規劃未來、控制行為衝動等功能，就更需要依賴這種物理網絡了。後一些功能需要在分布廣泛的腦網絡中處理信息。當網絡受到破壞時，簡單和複雜的功能都會受到不利影響。
腦結構和功能的複雜性在人體各器官和組織中都是獨一無二的，因此特別容易受到傷害。當頭部受到撞擊時，頭部急劇加速，柔軟的腦在顱內移動，並被壓縮、拉伸和扭曲。在某些方面，腦對這些力的承受能力非常強。例如，導致出血的情況並不常見。
儘管如此，線性和旋轉力通過腦傳播，造成軸突損傷，稱為創傷性軸突損傷。這種類型的損傷是造成短暫性和永久性的腦網絡功能障礙，以及隨之而來的頭部外傷後功能問題的病理基礎。
當腦部受到撞擊後在顱骨內晃動時，我們可能會預期脆弱的軸突會被撕裂，導致網絡交通立即中斷，功能喪失。而我們可能會期望在外傷發生時表現出最大的功能效應。但奇怪的是，事實並非如此。在運動中由於碰撞、摔倒、或者以頭頂球所造成的頭部外傷的程度，不大可能直接造成組織或軸突撕裂。
因此，與運動相關的頭部外傷，包括運動相關的腦震蕩，很少有像腦出血這樣明顯的臨床影像學表現。相反，軸突上的應變會引發一系列分子和細胞事件，可能導致其功能障礙和最終變性。最終，由此產生的病變損害了腦功能。
腦外傷所引起的一連串反應最先是由軸突的亞細胞成分上的機械性應激引起的，最終產生毒性微環境，導致進一步損傷。機械應激物導致功能異常，神經元去極化，興奮性神經遞質穀氨酸的過度釋放，以及神經元內鈉和鉀離子的平衡失調。
穀氨酸的過量釋放會激活腦細胞上的n-甲基天冬氨酸受體，對維持細胞內Na/K平衡的細胞泵產生不利影響。興奮性毒性，這些受體對過量的穀氨酸、NMDA和其他有毒物質的過度激活，導致神經元的進一步離子失調和代謝產物的積累，特別是鈣的螯合，進一步助長了毒性微環境。
毒性微環境導致多種繼發性細胞效應，造成進一步的損傷。次生損傷的一個例子是激活腦免疫細胞，如小膠質細胞和星形膠質細胞。對實驗室小鼠在受控制的條件下撞擊大腦皮層，這是一種嚴重的腦外傷模型，其結果是誘導釋放胺基酸D-絲氨酸。D-絲氨酸與NMDA受體結合，導致突觸損傷，突觸是腦細胞之間通信的連接處。
在這種動物模型中，阻斷D-絲氨酸的釋放起到保護作用。人們認為長期持續的不良細胞反應和軸突運輸減少是造成損傷的另一種機制。通過腦糖腺系統等途徑減少清除代謝產物，加劇了微環境的毒性和毒素的積累。在慢性外傷性腦病和其他神經退行性疾病中，都發現有由pTau形成的神經纖維結節，特別是在腦部小血管周圍形成的神經纖維結節，這被認為會導致細胞死亡。
近年來，已經大大積累起有關腦損傷分子和細胞機制的知識，這些知識大部分是基於實驗研究的基礎之上。然而，這些研究都要用到相當嚴重的損傷模型，這與通常在運動中發生的損傷有很大的不同。我們對臨床現象認識的另一個重要制約是，人腦損傷的機制不能直接在體內活體觀察到。
然而，最近，使用放射性標記的pTau抗體使我們得以用正電子發射斷層掃描進行活體檢測。pTau-PET技術對活體直接檢測，由於頭部重複撞擊造成的長期損傷方面帶來很大的希望，但目前還處於早期開發階段，尚未進入臨床應用。在臨床檢測得到驗證並得到廣泛使用之前，還不能知道pTau沉積等損傷現象的真正發生率和影響。
頭部外傷所引起的興奮性毒性、神經炎症以及由此產生的毒性微環境後的程度、其演化的時間過程以及改善或持續的程度，決定了傷員是否會持續受到經久的不良影響。
在這方面，損傷隨時間級聯演化的機制可能是有效治療腦損傷的關鍵。可以利用靶向和抑制損傷機制的方法來關閉不利的分子過程，使其在造成損傷之前就被關閉。要實現這一目標，需要識別損傷，認識損傷的時間過程，並及時進行有針對性的精準幹預。
在碰撞運動的比賽過程中，頭部會受到多次撞擊，這些撞擊並不表現出明顯的腦損傷跡象或症狀。但是這些 「亞腦震蕩」的撞擊仍然會對腦施加力，並可能誘發類似於明顯腦震蕩的亞臨床病理變化。事實上，我們發現，亞腦震蕩事件可能與大多數運動員沒有注意到的腦部症狀有關，這些症狀可以通過仔細詢問而加以發現。
亞腦震蕩撞擊還與腦功能和微觀結構的客觀改變有關，這些變化可以由腦電圖、核磁共振成像以及正規的認知和平衡測試檢查出來。在運動員的一生中，反覆的頭部亞腦震蕩撞擊的嚴重性，是目前備受關注的焦點。
- Lisa Tegtmeier -
將腦外傷與其他常見的損傷進行對比，是很有啟發意義的。骨折或肌肉撕裂在外傷發生的那一刻就發生並完成了。隨後，身體就開始修復損傷。當肝臟在機動車碰撞中受損時，接著就會再生新的功能肝臟組織。但如上文所述，腦損傷是一個由外傷引發的過程，隨時間演變。如果不加以控制，所造成的病變可能是不可逆轉的。
幸運的是，對於絕大多數頭部受傷的運動員來說，在單次頭部外傷後的數分鐘到數周內，症狀就會迅速消失。當上述不良的分子和細胞反應級聯在造成軸突永久性損傷前就消退時，就有可能得到恢復。
然而，一旦軸突變性，它們既不能修復，也不能再生或被替換。損傷背景以及先天和環境因素，可能對認識頭部損傷恢復的時間過程和恢復程度的千差萬別都至關重要。然而，我們現在還剛開始認識有關細節，這是目前深入研究的重點。
腦損傷千變萬化
兩個運動速度相近的長曲棍球運動員在球場上迎頭相撞。兩人都立即出現了迷茫和失衡的症狀。兩人都沒有被撞到失去意識。兩人都被診斷為運動相關的腦震蕩，並下場休息。其中一名球員在一周內感覺恢復正常，並在醫生的指導下逐漸恢復體力活動。而他的隊友在三個月後仍有症狀，不再能參加長曲棍球比賽，而且在學習上也有問題。
那些照顧腦震蕩患者的人都很熟悉下列難題：兩個相似的人似乎經歷了類似的傷害，但在症狀和完全恢復所需的時間上卻大相逕庭。雖然通常腦震蕩都可以完全康復，但還是有相當一小部分患者遺留有症狀和功能障礙，有些甚至是永久性的。
在曲棍球的情形中，每個球員的腦可能都經歷了類似的生物力學損傷，但其損傷的嚴重程度、時間過程、損傷所造成的分子和細胞後果的持久性等方面都各不相同，並導致每個球員的康復速度和完全康復的程度存在差異。有持續症狀的球員的父母向他們的醫生表達了對兒子長期前景的擔憂；不僅僅擔憂其目前功能障礙的恢復，而且還擔憂以後神經變性的風險。
現在人們已經普遍認識到了腦外傷的複雜性，但我們才剛剛開始梳理出各種情況是如何相互影響和相互作用而產生最終結果的。所涉及的眾多因素可以粗略地分為：（a） 傷情；（b） 球員特性；（c）傷前或傷後的環境因素。傷情，如撞擊的方向和力度，以及以前是否受到過撞擊和撞擊的時間，這些是決定腦部生物力學損傷程度的因素。另一方面，球員特性和環境因素可能在決定撞擊時腦的反應，以及頭部外傷後的分子和細胞反應的演變過程及其恢復中發揮作用。
例如，與男孩相比，女孩頭部受到撞擊較少，但報告出更多腦震蕩症狀，而且從運動相關的腦震蕩中恢復的時間也較長。女孩的頸部肌肉比男孩發育得差，限制了女孩在撞擊時頭部的穩定能力，因此，女孩的頭部加速和最終造成的腦加速更快。
那麼這些生物力學特徵，是否就是造成腦損傷風險性別差異的唯一關鍵所在呢？還是性激素也有影響，如月經周期中的黃體酮的減少等，是否造成了女孩的脆弱期？更普遍的因素是，基因變異、智商、營養、性格和許多其他因素可能也是對包括運動相關腦震蕩在內的頭部損傷所作的反應和恢復的個體差異的原因。
科學家們剛剛開始認識到，基因和性別等因素可能會如何協同作用，從而加劇或減輕運動相關腦震蕩和頭部重複性撞擊所造成的不良影響。
- Albee Shen -
多次撞擊：有意和無意的撞擊
在像橄欖球、足球、曲棍球和長曲棍球等熱門的運動中，球員之間彼此碰撞是此類比賽的一大特點。在橄欖球運動中，對某些球員的位置來說，碰撞可能是每一次比賽中都不可避免的特點。即使指示球員們不要「用頭帶球」，但他們還是經常會相互碰撞，與地面、門柱或其他設備發生碰撞。
這樣的碰撞和摔倒是許多直接擊打頭部的原因。然而，即使在沒有直接撞擊的情況下，撞擊身體或摔倒也會引起腦的快速加速。由此產生的力會以與鞭打損傷*相同的方式傳送到腦。
除了意外碰撞和摔倒造成的創傷外，足球運動還有另外一個獨特的頭部重複撞擊的來源。足球運動員在比賽和練習中，有意識地反覆用頭頂球，以改變球的運動進程。在我們對成年業餘足球運動員的工作中，我們發現，頭球的場合很多。有些球員根本不做頭球，但很多其他球員每年都會做成千上萬次。
雖然這些球對頭的撞擊，通常比球員和球員相撞時所產生的頭部加速度要小，而且通常是亞腦震蕩，但它們可能會在短時間內非常密集地重複發生。如果腦對第一次撞擊的分子和細胞反應還沒過去，又發生了第二次或更多次撞擊，那麼第二次撞擊的效果可能會被放大，腦在早就受到損傷和處於脆弱的情況下，就會受到實質性的打擊。
如果撞擊之間的間隔很密集，那麼無論發生的是多次運動相關的腦震蕩，還是亞腦震蕩的重複性頭部撞擊，都可能成為「超強撞擊」，其總的不良影響，可能會大於雖然次數差不多相同，但撞擊時間相隔足夠大因而能從每次撞擊後完全恢復過來時產生的總影響。因此，對發生運動性腦震蕩後最重要的建議之一是，應該避免再接著受到任何頭部損傷，直到症狀完全消失為止。
對什麼人來說，何種程度才算過大？
我們發現，在所有的碰撞運動中都會有重複性的頭部撞擊，儘管撞擊後並不總是有症狀或受傷。研究表明，長期來看，重複性頭部撞擊與認知功能的惡化和腦的結構性改變有關。此外，受到重複性頭部撞擊的時間和次數可能都對風險大小有影響。
在我們自己對足球運動員的研究和其他人對美式足球的調查中，重複性頭部撞擊都與不良影響有關。然而，這種關係似乎是非線性的。也就是說，相對較少次數的這種撞擊似乎一般都沒有多大問題，但大量撞擊則與不良影響密切相關。我們的研究結果表明存在某個閾值，低於此值時風險完全可以接受。
確定這種閾值，就有可能通過監測重複性頭部撞擊，並在接近到閾值時減少撞擊機會，從而保護球員。在「理智投球」項目中已成功地實行了類似的方法，該項目監測青少年棒球運動員的投球活動以減少上肢損傷。
然而，為了實現基於閾值的幹預措施的承諾，我們需要知道如何正確確定風險閾值。這樣的方案還必須納入個人風險因素；一刀切的方法不可能保護弱勢人群。
現在和未來：長期的延遲效應
在職業碰撞運動員中所發現的神經退行性慢性外傷性腦病，使頭部重複性撞擊成為人們注意的焦點。直到死後在顯微鏡下檢查腦時才被診斷出的球員，往往是在他們的運動生涯結束後很久，而且也不再受到重複性的腦撞擊之後很久，才開始表現出慢性外傷性腦病症狀。
此外，在屍檢時發現，在行為上沒有表現出慢性外傷性腦病徵兆的球員的腦中，也發現有慢性外傷性腦病的病理特徵。雖然慢性外傷性腦病的發展機制仍有待闡明，但有一個假設是，重複性頭部撞擊誘發了持續的損傷過程和亞臨床腦病變的積累，其形式為pTau清除不暢，即使在撞擊停止後也會繼續下去。只有當腦病變積累到足夠程度時，才會出現明顯的症狀。
在許多方面，重複性的頭部撞擊所產生的演變後果，和其他一些我們所熟知的情況很相像。環境接觸的毒性影響，如鉛中毒，會以類似的方式引起臨床疾病：在症狀表現出來之前，亞臨床病理在腦中不斷積累。通過監測鉛水平，當驗血發現有亞臨床變化時，通過避免接觸，可以避免明顯的臨床疾病和不可逆的損害。
然而，如果接觸時間過長，病理變化可能無法恢復。通過確定累積的腦損傷在什麼時候變得不可逆，並設計出識別接近危險水平的方法，就可以避免重複性頭部撞擊造成持久性腦功能障礙。一種能夠識別異常蛋白質等的驗血方法，可以在高危運動員出現症狀之前就篩查出累積性腦部病變。
最近，食品和藥物管理局批准了這樣一種血液生物標誌物，用於評估頭部受傷後顱內出血的風險。目前，其他幾種潛在的生物標誌物正在開發或研製中，以從驗血中檢測腦損傷病理。
慢性外傷性腦病已經成為書籍、電影和新聞報導的主題。然而，與全球數以億計的青少年和成年業餘運動員相比，受影響的球員數量就只是個小數目了。如果較新的技術，如神經影像學和血液生物標記物等，證實重複性頭部撞擊對這一大群人的腦結構和功能產生不利影響，並導致長期明顯的腦功能障礙，那麼對社會健康的這一重大挑戰就需要加以解決。
體育鍛鍊收穫最大化：風險與收益
那麼，甘迺迪告誡說要追求身體健康，將其作為「有活力和創造性的智力活動的基礎」，這話又該怎麼看呢？我們已經廣泛地探討了頭部外傷不良影響所帶來的風險，但同時有證據強烈表明，身體活動能改善認知功能、情緒調節、睡眠和其他一系列積極的結果。
身體健康的學生在典型的學業測試中表現更好。參與團隊運動在培養社交能力、領導力等方面有額外的好處。除此之外，心理活動對身體健康也有積極的影響，可以延緩和減輕老年人的衰老。
- Kerry Hyndman -
我們應該如何權衡這些好處，和與運動相關的腦震蕩和頭部重複撞擊的風險呢？請想一下下面的思想實驗：假設參加橄欖球校隊的好處，被由於擋球和夾擊造成的重複性頭部撞擊的不利影響所抵消。在一天末了，橄欖球運動員在學校裡的表現就好像他們完全不參加運動一樣。
同時，對於校隊遊泳運動員來說，比起把時間花在圖書館裡來說，體能訓練和團隊合作可能更能提高學習成績。是應該引導青少年運動員進行非碰撞性運動，還是應該對這些高風險的運動項目進行改進？對於這些問題還沒有人能給出答案，因為個體和他們對頭部外傷的反應是如此多樣和複雜，所以很難給出這些問題的答案。這裡面涉及到的因素遠不止只是運動和成績這麼簡單。
綜合考慮，奮勇向前
體育活動提供了一條大眾化的健身途徑，這對短期健康和長期健康都極為重要。另一方面，重複性頭部撞擊可能會對腦發育和功能產生不利影響，這對家長和運動員來說都是一種可怕的前景，可能會使碰撞運動帶來的健身好處化為烏有。
影響頭部重複性撞擊造成損傷的大量因素非常複雜，包括運動相關的腦震蕩和亞腦震蕩撞擊，以及這些因素在運動員中的種種表現形式，再加上缺乏明確的證據來為風險收益評估提供依據，這一切只會增加這種擔憂的不確定性。
然而，現有知識明顯地說明，可以識別出並充分認識導致不良影響的種種因素，從而得以設計幹預措施，將風險降到最低，最大限度地提高運動帶來的好處。
我們必須促進體育活動：體育活動如果不受腦功能障礙的影響，那麼它對教育和智力發展的好處是顯而易見的。那麼，能否減少碰撞運動的激烈程度？對於最終不太可能成為職業運動員的青少年運動員來說，如果他們通過按證據進行風險評估來監測和控制頭部重複性撞擊的風險，或者特別是對於那些高風險的人來說，選擇像跑步或遊泳等非碰撞性運動，那麼他們是否真的會有什麼損失嗎？
碰撞運動源遠流長，包括體育管理組織在內的文化機構及其許多倡導者都會淡化風險，並會發現廣大聽眾接受他們的意見。在外行媒體和科學文獻中，關於頭部重複性撞擊的研究結果，通常被儘量往輕裡說或者歸因於方法論的局限性。
因此，家長和教育工作者應大力提倡進行必要的大規模研究，以確定相關的危險因素和特徵，並制定和實施預防幹預措施。只有這樣，青少年運動員才能發揮運動對「充滿活力和創造性的智力活動」的潛力。