用喙撞击树干似乎是一项会导致头痛、下巴疼痛以及严重的颈部和大脑损伤的活动。 然而啄木鸟每秒可以执行 20 次这样的动作并且不会受到任何不良影响。
除澳大利亚外，世界各地的森林地区都有啄木鸟的踪迹。 这些鸟具有非凡的能力，可以用喙敲击树干，打洞以吸取昆虫和汁液。 更令人印象深刻的是，他们这样做却没有伤害自己。
我们是材料科学家他们研究自然界中发现的生物物质，如骨骼、皮肤、羽毛和贝壳。 我们对啄木鸟的头骨和舌骨结构感兴趣，因为我们认为它们不寻常的解剖结构可以提供见解，帮助研究人员为人类开发更好的保护性头部装备。
人脑震荡
啄木鸟在啄食时，头部要承受多次强烈的冲击。
它们拥有强壮的尾羽和爪子，可以帮助它们在头部以每秒 7 米（23 英尺）的速度向树干移动时保持平衡。 然后，当它们的喙撞击时，它们的头部会以大约 1,200 倍重力 (g) 的速度减速。
所有这一切都发生在啄木鸟没有遭受脑震荡或脑损伤的情况下。
脑震荡是一种因头部反复受到打击而造成的脑外伤。 这是一种常见现象，并且在足球或曲棍球等接触性运动中经常发生。
反复的创伤性脑损伤最终会导致进行性脑部疾病，慢性创伤性脑病（CTE），这是不可逆的，会导致记忆丧失等症状，、冲动、攻击性和自杀行为。
美国国家橄榄球联盟表示，足球运动员在 80 克的压力下会发生脑震荡。 那么啄木鸟如何在 1,200 克的反复冲击下生存而不伤害大脑呢？
我们寻找了啄木鸟在锤击过程中承受高冲击能力的关键秘密。 我们研究了骨骼的微观结构，然后对头部进行了生物力学分析。
不寻常的头骨和舌骨结构
通过比较啄木鸟和鸡的头骨，我们发现啄木鸟具有吸收冲击力的适应能力这是其他鸟类所没有的。 这包括专门的头骨、颈部肌肉、喙骨和舌骨。
头骨具有不同的化学成分和密度。 例如，一种结构适应是通过增加骨骼中矿物质的积累来实现的，使骨骼比其他鸟类更坚硬、更强壮。
令人惊讶的是，与其他鸟类和动物相比，头骨非常薄，将大脑与头骨分开的液体也较少。 这表明头骨已经变得越来越坚硬。
通常在现实世界的材料科学中，硬度和韧性之间存在普遍的权衡。 然而，头部同时具有坚硬和坚韧的材料可以减少传递到大脑的冲击力。
第二个不同之处是，啄木鸟大脑周围的内部液体比其他大型动物少。 这有助于限制啄食过程中大脑的运动。 液体量减少的效果类似于煮熟的鸡蛋的蛋黄，与生鸡蛋的蛋黄相比，煮熟的鸡蛋的蛋黄不会因摇晃而受损。
啄木鸟的舌头上还嵌有一块骨头，有助于从树上捕食昆虫。 不寻常的舌头环绕着头骨的后部，并固定在两眼之间的前部。 这种结构让舌头及其骨头充当弹簧，缓冲物理力和相关的振动。
不同类型的骨头
典型骨骼的刚度和强度归因于包裹着多孔松质骨的致密骨鞘。 但啄木鸟的舌骨具有相反的结构：柔性鞘和较硬的芯骨。这种由内而外的配置提供更好的灵活性，可以吸收更高的冲击和振动。
我们的研究表明啄木鸟不寻常的头骨和舌骨是在啄木鸟啄食行为中保护大脑所必需的抗冲击结构的例子。
目前，生物学家和神经科学家正在积极研究研究啄木鸟的大脑看看有没有脑损伤的病理证据？ 就像人类的 CTE 一样。
我们希望这项研究能够揭示在啄木鸟大脑的组织或细胞水平上是否存在其他保护或治愈机制在发挥作用，我们希望这将揭示如何保护和治愈人类大脑损伤。
乔安娜·麦基特里克教授加州大学圣地亚哥分校的先驱工程师、材料科学领域的著名专家，于 2019 年 11 月 15 日在完成这篇文章后不久去世。 她现年 65 岁。她是 STEM 领域女性和弱势学生的热情倡导者，也是一位深思熟虑的导师。 
乔安娜·麦基特里克，机械与航空航天工程教授，加州大学圣地亚哥分校和郑在英，骨科博士后学者，加州大学旧金山分校。
