Pokroky v konstrukci brnění a přilby znamenají, že více vojáků přežije, protože je blízko výbuchu z bomby nebo nepřátelské palby. Ale mnoho lidí se vrací z bojiště s poraněním mozku, která nejsou okamžitě viditelná a těžko detekovatelná i při pokročilých skenech. Problém je v tom, že není jasné, co výbuchová vlna dělá mozku.
Související obsah
- Jak průhledná ryba může pomoci dekódovat mozek
- Do živých mozků byl vstříknut flexibilní obvod
Christian Franck, pomocný profesor inženýrství na Brown University, se to snaží změnit zobrazováním malých skupin mozkových buněk ve 3D a pořizováním filmů neuronů vystavených drobným šokům. Cílem je přesně vidět, jak jednotlivé mozkové buňky mění tvar a reagují v hodinách po traumatu.
Podle ministerstva obrany USA utrpělo v roce 2014 asi 25 000 vojáků a žen traumatická poranění mozku. Pouze 303 zranění „proniklo“ nebo takové, které zanechávají viditelné rány. Zbytek pocházel z různých forem otřesů způsobených událostmi, jako jsou výbušniny, pády a dopravní nehody.
Většina těchto zranění - asi 21 000 - byla považována za mírnou, což znamená, že osoba byla zmatená, dezorientovaná nebo utrpěla ztrátu paměti po dobu kratší než 24 hodin nebo byla v bezvědomí po dobu 30 minut nebo méně. Takoví pacienti obvykle nedostanou skenování mozku, a pokud ano, obrázky obvykle vypadají normálně.
To je problém, říká Franck, protože psychologické problémy vyplývající z konkávního poranění hlavy mohou pocházet z poškození na úrovni buněk, protože mozek se „krouží“, když se snaží léčit.
„K opětovnému zapojení dojde po urážce, takže si toho nevšimnete, “ říká Franck. "Chceme vidět v buněčném měřítku, jak rychle se tyto buňky deformují. S tupým traumatem máme mnohem větší databázi. S explozemi jsou to většinou lidé v ozbrojených službách a mají těžký čas, protože by chtěli získat přístup k léčbě a získat pomoc, ale nevědí, na co se mají zaměřit. ““
Předchozí experimenty s potkany ukázaly poškození mozku výbušnými výbuchy, zejména hippocampu, ale nehleděly na buněčnou úroveň. A zatímco předchozí studie na lidech zkoumaly mozkové buňky v případech poranění hlavy, tkáň pocházela pouze od pacientů, kteří již byli mrtví.
Vzhledem k tomu, že nemůžeme nahlédnout do živého lidského mozku, když je otřesen, Franck pěstoval buňky z mozku potkanů na biologickém lešení uvnitř gelové hmoty. Toto nastavení umožňuje buňkám růst v klastrech podobných tomu, jak by se hromadily v mozku.
Buňky nejsou tak hustě nabité a nedělají všechny věci, které mozkové buňky obvykle dělají, ale poskytují hrubý analog. Franck pak může tyto mozkové svazky vystavit nárazovým vlnám a zjistit, co se stane.
Výbuchová vlna se liší od toho, řekněme, zasáhnout do hlavy cihlou, protože časové měřítko je mnohem kratší, říká Franck. K typickému úderu do hlavy dochází v průběhu několika tisícin sekundy, zatímco výbuchová vlna trvá jen miliontiny sekundy. Kromě toho účinky výbuchové vlny nemají jediný zaměřený bod původu, jako je tomu u fyzického úderu.
Franck pracuje s hypotézou, že rázové vlny z explozí způsobují v lidském mozku jev zvaný kavitace - stejný proces, který vytváří bubliny ve vodě poblíž lodní vrtule. Teorie kavitace v mozku není nová a existují docela spolehlivé důkazy o tom, že se kavitace děje, ale zatím nemáme správná pozorování, abychom ji mohli prokázat jako příčinu poškození buněk.
Podle teorie, jak se výbuch děje blízko vojáka, rázové vlny se pohybují lebkou a vytvářejí malé oblasti nízkého tlaku v tekutinách, které obklopují a pronikají mozkem. Když je tlak v některých oblastech dostatečně nízký, otevře se malý prostor nebo dutina. O zlomek vteřiny později se oblast s nízkou hustotou zhroutí.
Protože dutiny nejsou dokonale kulové, zhroutí se podél jejich dlouhých os a všechny buňky v okolí se buď dostanou do dutiny, nebo jsou zasaženy výstřelem kapalin o vysoké hustotě z konců. Zdá se zřejmé, že taková událost poškodí a zabije buňky, ale zdaleka není jasné, jak toto poškození vypadá.
Toto video ukazuje laser vypálený do neuronů pěstovaných v gelu, čímž se znovu vytvoří kavitace indukovaná rázovými vlnami, která může způsobit poškození mozku u obětí výbuchu. (Jon Estrada, Christian Franck / Brown University)To je důvod, proč Franck natáčel své mozkové buňky pěstované v laboratoři a prezentoval svá zjištění tento týden na 68. výročním zasedání divize americké fyzikální společnosti pro dynamiku tekutin v Bostonu. Aby simuloval kavitaci z exploze, vystřelil laserové paprsky na buněčné shluky. Krátké laserové výstřely zahřívaly kousky gelu, které držely pohromadě buněčnou matrici a vytvářely dutiny.
Použil bílou LED diodu spojenou s mikroskopem a difrakční mřížku, která generuje obrazy ze dvou různých perspektiv pro opakované skenování laserem odstřelených buněk. Každý snímek vytvoří 3D obrázek buněk a pomocí těchto dvou obrázků vytvoří určitý druh 3D filmu. Franck pak sledoval buňky po celý den, aby zjistil, co dělali a jestli zemřeli.
Experiment ukázal jasnou indikaci poškození buněk v důsledku kavitace. Ale je to jen první krok: Vnitřek mozku není jednotný, což ztěžuje výpočet skutečného dopadu kavitace. Kromě toho je modelování účinků výbuchové vlny obtížné, protože použitá tekutina je poměrně složitá, říká Jacques Goeller, inženýr společnosti Advanced Technology and Research Corporation, který je nyní na polosamotě. Pokusil se umístit hlavy mrtvol do cest rázových vln, což poskytlo nepřímý důkaz kavitace během výbuchu.
Dalším komplikujícím faktorem je to, že lebky vibrují při určitých frekvencích, což může ovlivnit, jak moc se deformují a spouští kavitaci. „Protože lebka vibruje, může způsobit další řadu bublin, “ říká Goeller.
Na druhé straně je v Franckově experimentu možné kontrolovat velikost bublin a jejich polohu, jakož i vlastnosti gelu. To znamená, že budoucí výzkum může použít stejné nastavení k testování více možných scénářů.
Zranění, která tyto laboratorní buňky utrpí, mohou být porovnány se skutečnými mozky obětí otřesů, aby se získal lepší obrázek o tom, co se děje. To by mělo usnadnit vývoj léčebných postupů a diagnostikování.
Franck nicméně souhlasí s tím, že je ještě nějaký způsob, jak vědci vědí, jak výbuchy ovlivňují mozek. „Stále je hodně práce, “ řekl. "Jsme asi na půl cesty."
