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Il picchio ha l’abitudine di martellare il tronco degli alberi col becco, un’attività che potrebbe causare mal di testa, mal di mandibola e gravi lesioni al collo e al cervello. Eppure può farlo 20 volte il secondo e non subire alcun effetto nocivo.

I picchi si trovano in aree boschive in tutto il mondo, tranne che in Australia, questi uccelli hanno l’insolita capacità di usare i loro becchi per martellare nei tronchi degli alberi per fare buchi per estrarre insetti e linfa senza farsi male.

Lo studio è stato condotto da Joanna McKittrick professoressa d’ingegneria meccanica e aerospaziale presso l’Università della California di San Diego e da Jae-Young Jung, studiosa di chirurgia ortopedica presso l’Università della California, San Francisco. La professoressa Joanna McKittrick rinomata esperta in scienza dei materiali, è deceduta il 15 novembre 2019, poco dopo aver completato quest’articolo. Aveva 65 anni.

Siamo scienziati dei materiali che studiano sostanze biologiche presenti in natura come ossa, pelli, piume e conchiglie. Il nostro attuale interesse riguarda la struttura ossea del cranio e della lingua dei picchi, perché riteniamo che la loro insolita anatomia potrebbe fornire spunti per aiutare i ricercatori a sviluppare una migliore attrezzatura protettiva per la testa dell’uomo.

Commozioni cerebrali nelle persone

Il picchio sopporta molti colpi ad alto impatto alla testa, mentre martella con il becco. Ha forti zampe munite d’artigli per aggrapparsi al tronco dell’albero e la coda utile a mantenere l’equilibrio in verticale. Indirizza la testa per colpire il tronco d’albero alla velocità di 7 metri il secondo, quindi, quando il becco impatta sul tronco, la testa decelera a circa 1.200 volte la forza di gravità (g). Tutto ciò avviene senza che il picchio subisca commozioni cerebrali o danni cerebrali (vedi video).

La commozione cerebrale è una forma di trauma cranico causato da ripetuti colpi alla testa. È un evento comune, avviene frequentemente durante gli sport di contatto come il calcio o l’hockey. La lesione cerebrale traumatica ripetuta alla fine causa un disordine cerebrale progressivo, un’encefalopatia cronica traumatica (CTE), che è irreversibile e provoca sintomi come perdita di memoria, depressione, impulsività, aggressività e comportamento suicida.

Il National Football League riporta che le commozioni cerebrali dei calciatori avvengono ad un’accelerazione di oltre 80 g, quindi come fanno i picchi a sopravvivere agli impatti di 1.200 g senza danneggiare il loro cervello?

Abbiamo cercato i segreti chiave della capacità del picchio di tollerare il forte impatto durante il martellamento con il becco. Abbiamo studiato le microstrutture delle ossa e fatto un’analisi biomeccanica sulla testa.

Insolite strutture ossee del cranio e della lingua

Confrontando il cranio di picchi e polli, abbiamo scoperto che i picchi hanno adattamenti che assorbono l’impatto che altri uccelli non hanno. Ciò include ossa specifiche del cranio, muscoli del collo, becchi e ossa nella struttura della lingua.

Le ossa del cranio hanno una diversa composizione chimica e densità, ad esempio, un adeguamento strutturale è possibile aumentando l’accumulo di minerali nelle ossa per renderle più rigide e più forti rispetto ad altri uccelli.

Sorprendentemente, l’osso del cranio del picchio è molto sottile e c’è meno fluido che separa il cervello dall’osso del cranio. Ciò suggerirebbe che il cranio è adattato per essere più protetto rispetto ad altri uccelli e animali.

Tipicamente nel mondo reale della scienza dei materiali c’è un compromesso generale tra durezza e tenacità. Tuttavia, avere sulla testa sia materiale duro, sia resistente riduce la quantità d’impatto trasferito al cervello.

La seconda differenza è che il picchio intorno al cervello ha meno fluido interno rispetto ad altri grandi animali. Ciò aiuta a limitare il movimento del cervello durante il martellamento con il becco. La quantità ridotta di fluido ha un effetto analogo al tuorlo di un uovo sodo, che non si danneggia agitando, rispetto al tuorlo di un uovo crudo e non cotto.

I picchi hanno anche un altro segreto nella lingua, quando non è estesa si avvolge attorno al cranio, ancorata all’osso ioide. Passa dietro la testa dividendosi in due parti e poi si ricongiunge in mezzo ai suoi occhi una volta fatto tutto il giro: questa configurazione consente alla lingua di agire come una molla per smorzare la forza fisica e le vibrazioni correlate.

Vari tipi di ossa

La rigidità e la forza di un tipico osso scheletrico è dovuta ad una fitta guaina d’ossa compatte che incapsulano un osso poroso spugnoso. La lingua del picchio ha la struttura opposta: una guaina flessibile che avvolge una struttura ossea più dura, questa configurazione interna offre una maggiore flessibilità e può assorbire impatti e vibrazioni più elevati.

I nostri lavori suggeriscono che l’insolito cranio e le ossa della lingua del picchio sono un esempio di strutture resistenti all’impatto, essenziali per proteggere il cervello del picchio durante le fasi di percussione con il becco.

Biologi e neuroscienziati stanno attivamente lavorando allo studio del cervello del picchio per vedere se ci sono prove patologiche di lesioni cerebrali come un’encefalopatia cronica traumatica (CTE) negli esseri umani.

Speriamo che questa ricerca riveli se esistono altri meccanismi di protezione o di guarigione a livello di tessuti o cellule in cervelli di picchio che, speriamo, riveleranno come proteggere e guarire le lesioni cerebrali umane.