Avansările în armurarea corpului și a designului căștii înseamnă că mai mulți soldați vor supraviețui fiind aproape de o explozie de la o bombă de pe marginea drumului sau de la un foc inamic. Dar multe persoane se întorc de pe câmpul de luptă cu răni cerebrale care nu sunt vizibile imediat și sunt greu de detectat chiar și cu scanări avansate. Problema este că nu este clar doar ce face un val de explozie creierului.
Continut Asemanator
- Cum poate ajuta un pește transparent să decodeze creierul
- Un circuit flexibil a fost injectat în creierele de viață
Christian Franck, profesor asistent de inginerie la Universitatea Brown, încearcă să schimbe asta imaginând grupuri mici de celule cerebrale în 3D și luând filme cu neuroni expuși la șocuri minuscule. Ideea este de a vedea exact modul în care celulele individuale ale creierului își schimbă forma și reacționează în orele de după traumatism.
Aproximativ 25.000 de militari și femei au suferit leziuni cerebrale traumatice în 2014, potrivit Departamentului Apărării al SUA. Doar 303 dintre răniți au fost „pătrunzători” sau genul care lasă răni vizibile. Restul proveneau de la diverse forme de emoție provocate de evenimente precum explozibili, căderi și accidente de vehicule.
Cele mai multe dintre aceste răni - aproximativ 21.000 - au fost considerate ușoare, ceea ce înseamnă că persoana a fost confuză, dezorientată sau a suferit pierderi de memorie mai puțin de 24 de ore sau a fost inconștientă timp de 30 de minute sau mai puțin. Astfel de pacienți nu obișnuiesc să facă scanări ale creierului și, dacă se întâmplă, imaginile arată în general.
Aceasta este o problemă, spune Franck, deoarece problemele psihologice care apar din leziunile concurențiale ale capului pot proveni din leziuni la nivel celular, din moment ce creierul „revine” în timp ce încearcă să se vindece.
"Refacerea are loc după insultă, așa că nu observați", spune Franck. "Vrem să vedem la scară celulară cât de repede sunt deformate aceste celule. Cu traumatism contondent avem o bază de date mult mai mare. Cu explozii, în mare parte sunt oameni în serviciile armate și au greutăți pentru că ar fi le place să acceseze tratamentul și să primească ajutor, dar nu știu la ce să facă ecran. "
Experimentele anterioare cu șobolani au arătat leziuni ale creierului cauzate de explozii explozive, în special la hipocamp, dar nu au privit nivelul celular. Și în timp ce studiile anterioare la oameni au examinat celulele creierului în cazuri de leziuni la nivelul capului, țesutul a provenit doar de la pacienții care au fost deja morți.
Întrucât nu putem privi în interiorul unui creier uman viu așa cum este pus în pericol, Franck a crescut celule din creierul de șobolan pe schele biologice în interiorul unei substanțe asemănătoare cu gel. Configurația permite celulelor să crească în grupuri similare cu modul în care s-ar grupa într-un creier.
Celulele nu sunt la fel de dens ambalate și nu fac toate lucrurile pe care le-ar face celulele creierului, de obicei, dar oferă un analog grosolan. Franck poate apoi expune aceste pachete asemănătoare creierului la valuri de șoc pentru a vedea ce se întâmplă.
Un val de explozie este diferit de, să zicem, să te lovești în cap cu o cărămidă, deoarece scara de timp este mult mai scurtă, spune Franck. O lovitură tipică în cap se întâmplă pe parcursul a câteva miimi de secundă, în timp ce un val de explozie durează doar o milionime de secundă. În plus, efectele unui val de explozie nu au un singur punct de origine focalizat, ca în cazul unei lovituri fizice.
Franck lucrează cu o ipoteză că undele de șoc provocate de explozii provoacă un fenomen în creierul uman numit cavitație - același proces care face bule în apa din apropierea unei elice a bărcii. Teoria cavitației în creier nu este nouă și există dovezi destul de solide că cavitația se întâmplă, dar nu avem încă observații potrivite pentru a o considera ca fiind cauza daunei celulare.
Conform teoriei, pe măsură ce o explozie se întâmplă în apropierea unui soldat, undele de șoc se deplasează prin craniu și creează regiuni mici de presiune scăzută în lichidele care înconjoară și pătrund în creier. Când presiunea în unele regiuni devine suficient de scăzută, se deschide un spațiu mic sau cavitate. O fracție minusculă de o secundă mai târziu, regiunea de densitate mică se prăbușește.
Deoarece cavitățile nu sunt perfect sferice, acestea se prăbușesc de-a lungul axelor lor lungi și orice celule din apropiere, fie sunt zdrobite în interiorul cavității, fie sunt lovite cu o explozie de fluide de înaltă densitate care se trag de la capete. Pare evident că un astfel de eveniment ar deteriora și ar ucide celulele, dar este departe de a vedea cum arată acea pagubă.
Acest videoclip arată un laser care a fost tras în neuroni crescuți într-un gel, re-creând cavitația indusă de unda de șoc care poate provoca leziuni cerebrale la victimele exploziei. (Jon Estrada, Christian Franck / Universitatea Brown)De aceea, Franck a făcut filme cu celulele creierului cultivate în laborator și și-a prezentat constatările săptămâna aceasta la cea de-a 68-a întâlnire anuală a Diviziei de dinamică a fluidelor a American Physical Society din Boston. Pentru a simula cavitația dintr-o explozie, el a tras raze laser asupra aglomerărilor celulare. Scurtele focuri laser au încălzit biți de gel care ține împreună matricea celulară, creând cavități.
El a folosit un LED alb cuplat la un microscop și o grătare de difracție, care generează imagini din două perspective diferite pentru a scana celulele cu raze laser în mod repetat. Fiecare instantaneu face o imagine 3D a celulelor folosind cele două imagini pentru a genera un fel de film 3D. Franck a urmărit apoi celulele o zi pentru a vedea ce au făcut și dacă au murit.
Experimentul a arătat o indicație clară a deteriorării celulare datorată cavitației. Dar este doar un prim pas: interiorul creierului nu este uniform, ceea ce face dificilă calcularea impactului efectiv al cavitației. În plus, modelarea efectelor unui val de explozie este greu, deoarece fluidul implicat este destul de complex, spune Jacques Goeller, un inginer la Advanced Technology and Research Corporation, care este acum semi-pensionat. A experimentat cu punerea capetelor de cadavre pe căile undelor de șoc, ceea ce a furnizat dovezi indirecte pentru cavitații în timpul unei explozii.
Însă un alt factor complicant este faptul că craniile vibrează la anumite frecvențe, ceea ce poate afecta cât de mult se deformează și declanșează cavitația. "Întrucât craniul vibrează, poate provoca o altă serie de bule", spune Goeller.
Pe partea strălucitoare, în experimentul lui Franck este posibil să controlați dimensiunea bulelor și poziția lor, precum și proprietățile gelului. Aceasta înseamnă că cercetările viitoare pot folosi aceeași configurare pentru a testa mai multe scenarii posibile.
Leziunile pe care le suferă aceste celule de laborator pot fi apoi comparate cu creierele reale ale victimelor provocărilor, pentru a avea o imagine mai bună a ceea ce se întâmplă. Acest lucru ar trebui să faciliteze dezvoltarea tratamentelor și diagnosticurilor.
Franck este de acord, însă, că mai există o cale de urmat înainte ca cercetătorii să știe cu siguranță modul în care exploziile afectează creierul. "Este încă multă muncă în curs", a spus el. „Suntem cam la jumătate de drum”.
