Postępy w projektowaniu pancerza i hełmu oznaczają, że więcej żołnierzy przeżyje, będąc blisko wybuchu przydrożnej bomby lub ognia wroga. Ale wiele osób wraca z pola bitwy z obrażeniami mózgu, które nie są od razu widoczne i są trudne do wykrycia nawet przy zaawansowanych skanach. Problem polega na tym, że nie jest jasne, co fala uderzeniowa robi dla mózgu.
powiązana zawartość
- Jak przezroczysta ryba może pomóc w odkodowaniu mózgu
- Elastyczny obwód został wstrzyknięty do żywych mózgów
Christian Franck, asystent profesora inżynierii na Brown University, próbuje to zmienić, obrazując małe grupy komórek mózgowych w 3D i nagrywając filmy neuronów narażonych na drobne wstrząsy. Chodzi o to, aby dokładnie zobaczyć, jak poszczególne komórki mózgowe zmieniają kształt i reagują w kilka godzin po urazie.
Według Departamentu Obrony USA w 2014 r. Około 25 000 żołnierzy i kobiet doznało urazowych obrażeń mózgu. Tylko 303 obrażeń było „penetrujących” lub takich, które pozostawiają widoczne rany. Reszta pochodziła z różnych form wstrząsu mózgu spowodowanego przez zdarzenia takie jak materiały wybuchowe, upadki i wypadki samochodowe.
Większość tych obrażeń - około 21 000 - uznano za łagodne, co oznacza, że osoba była zdezorientowana, zdezorientowana lub cierpiała z powodu utraty pamięci przez mniej niż 24 godziny lub była nieprzytomna przez 30 minut lub krócej. Tacy pacjenci zwykle nie wykonują skanów mózgu, a jeśli tak, obrazy zwykle wyglądają normalnie.
To problem, mówi Franck, ponieważ problemy psychiczne wynikające z wstrząsów głowy mogą wynikać z uszkodzenia na poziomie komórki, ponieważ mózg „rwie się”, gdy próbuje się wyleczyć.
„Ponowna instalacja ma miejsce po zniewadze, więc nie zauważasz” - mówi Franck. „Chcemy zobaczyć w skali komórkowej, jak szybko te komórki ulegają deformacji. Z tępym urazem mamy znacznie większą bazę danych. Przy eksplozjach przeważnie są to ludzie w służbach zbrojnych i mają trudności z tym, ponieważ lubią uzyskać dostęp do leczenia i uzyskać pomoc, ale nie wiedzą, po co szukać ”.
Wcześniejsze eksperymenty na szczurach wykazały uszkodzenie mózgu w wyniku wybuchowych wybuchów, szczególnie hipokampa, ale nie obejmowały poziomu komórkowego. Podczas gdy poprzednie badania na ludziach badały komórki mózgowe w przypadkach urazów głowy, tkanka pochodzi tylko od pacjentów, którzy już nie żyli.
Ponieważ nie jesteśmy w stanie zajrzeć do żywego ludzkiego mózgu, gdy jest on wstrząśnięty, Franck wyhodował komórki z mózgów szczurów na biologicznym rusztowaniu wewnątrz żelopodobnej substancji. Konfiguracja pozwala komórkom rosnąć w skupiskach podobnych do tego, w jaki sposób gromadzą się w mózgu.
Komórki nie są tak gęsto upakowane i nie robią wszystkiego, co zwykle robiłyby komórki mózgowe, ale zapewniają z grubsza analog. Franck może następnie wystawić te podobne do mózgu wiązki na fale uderzeniowe, aby zobaczyć, co się stanie.
Fala podmuchowa różni się od, powiedzmy, uderzenia cegłą w głowę, ponieważ skala czasu jest znacznie krótsza, mówi Franck. Typowy cios w głowę zdarza się w ciągu kilku tysięcznych sekundy, podczas gdy fala podmuchowa trwa zaledwie milionowe sekundy. Ponadto skutki fali podmuchowej nie mają ani jednego, skoncentrowanego punktu początkowego, jak w przypadku uderzenia fizycznego.
Franck pracuje nad hipotezą, że fale uderzeniowe z eksplozji powodują zjawisko w ludzkim mózgu zwane kawitacją - ten sam proces, który powoduje powstawanie bąbelków w wodzie w pobliżu śmigła łodzi. Teoria kawitacji w mózgu nie jest nowa i istnieją dość solidne dowody, że kawitacja ma miejsce, ale nie mamy jeszcze odpowiednich obserwacji, aby uznać ją za przyczynę uszkodzenia komórki.
Zgodnie z teorią, gdy podmuch dochodzi w pobliżu żołnierza, fale uderzeniowe przemieszczają się przez czaszkę i tworzą małe obszary niskiego ciśnienia w cieczach otaczających i przenikających mózg. Kiedy ciśnienie w niektórych regionach staje się wystarczająco niskie, otwiera się mała przestrzeń lub wnęka. Ułamek sekundy później region o niskiej gęstości zapada się.
Ponieważ wnęki nie są idealnie kuliste, zapadają się wzdłuż swoich długich osi, a wszelkie znajdujące się w pobliżu komórki albo zostają zmiażdżone wewnątrz jamy, albo uderzone przez podmuch płynów o wysokiej gęstości strzelających z końców. Wydaje się oczywiste, że takie zdarzenie uszkodzi i zabije komórki, ale nie jest jasne, jak wygląda to uszkodzenie.
Ten film pokazuje wystrzeliwanie lasera w neurony wyhodowane w żelu, odtwarzając kawitację indukowaną falą uderzeniową, która może spowodować uszkodzenie mózgu u ofiar wybuchu. (Jon Estrada, Christian Franck / Brown University)Właśnie dlatego Franck nakręcił filmy ze swoich hodowanych w laboratorium komórek mózgowych i przedstawił swoje odkrycia w tym tygodniu na 68. dorocznym spotkaniu Division of Fluid Dynamics w Bostonie. Aby zasymulować kawitację po wybuchu, wystrzelił wiązki laserowe w skupiska komórkowe. Krótkie zdjęcia laserowe podgrzały kawałki żelu, utrzymując razem matrycę komórkową, tworząc wnęki.
Wykorzystał białą diodę LED sprzężoną z mikroskopem i siatką dyfrakcyjną, która generuje obrazy z dwóch różnych perspektyw, aby wielokrotnie skanować piaskowane laserowo komórki. Każda migawka tworzy trójwymiarowy obraz komórek za pomocą dwóch obrazów w celu wygenerowania pewnego rodzaju filmu 3D. Franck obserwował komórki przez jeden dzień, aby zobaczyć, co zrobili i czy umrą.
Eksperyment wykazał wyraźne oznaki uszkodzenia komórki w wyniku kawitacji. Ale to tylko pierwszy krok: wnętrze mózgu nie jest jednolite, co utrudnia obliczenie rzeczywistego wpływu kawitacji. Ponadto modelowanie efektów fali podmuchowej jest trudne, ponieważ zaangażowany płyn jest dość złożony, mówi Jacques Goeller, inżynier z Advanced Technology and Research Corporation, który jest obecnie na emeryturze. Eksperymentował z umieszczaniem głów trupów na ścieżkach fal uderzeniowych, co dostarczyło pośrednich dowodów na kawitację podczas wybuchu.
Ale kolejnym czynnikiem komplikującym jest to, że czaszki wibrują z pewną częstotliwością, co może wpływać na ich deformację i wywołać kawitację. „Gdy czaszka wibruje, może powodować kolejną serię bąbelków” - mówi Goeller.
Z drugiej strony, w eksperymencie Francka możliwe jest kontrolowanie wielkości pęcherzyków i ich położenia, a także właściwości żelu. Oznacza to, że przyszłe badania mogą wykorzystywać tę samą konfigurację do testowania wielu możliwych scenariuszy.
Urazy, jakie ponoszą te komórki laboratoryjne, można następnie porównać do prawdziwych mózgów ofiar wstrząsu mózgu, aby uzyskać lepszy obraz tego, co się dzieje. To powinno ułatwić opracowanie metod leczenia i diagnozowania.
Franck zgadza się jednak, że jest jeszcze wiele do zrobienia, zanim naukowcy dowiedzą się na pewno, jak podmuchy wpływają na mózg. „To wciąż dużo pracy” - powiedział. „Jesteśmy w połowie tego”.
