Напредъкът на бронежилетите и дизайна на шлемове означава, че повече войници ще оцелеят, като са близо до взрив от крайпътна бомба или вражески огън. Но много хора се връщат от бойното поле с мозъчни наранявания, които не се виждат веднага и са трудни за откриване дори при напреднали сканирания. Проблемът е, че не е ясно какво точно прави взривната вълна на мозъка.
Свързано съдържание
- Как прозрачната риба може да помогне за декодиране на мозъка
- Гъвкава верига беше инжектирана в живите мозъци
Кристиан Франк, доцент по инженерство в Браун университет, се опитва да промени това чрез изобразяване на малки групи мозъчни клетки в 3D и правене на филми от неврони, изложени на малки шокове. Идеята е да се види как точно отделните мозъчни клетки променят формата си и реагират в часовете след травма.
Около 25 000 военнослужещи и жени са претърпели травматични мозъчни травми през 2014 г., според Министерството на отбраната на САЩ. Само 303 от нараняванията са били „проникващи“ или от вида, които оставят видими рани. Останалите бяха от различни форми на сътресение, причинени от събития като експлозиви, падания и произшествия с превозни средства.
Повечето от тези наранявания - около 21 000 - се считат за леки, което означава, че човекът е бил объркан, дезориентиран или е претърпял загуба на памет за по-малко от 24 часа или е бил в безсъзнание в продължение на 30 минути или по-малко. Такива пациенти обикновено не получават сканиране на мозъка и ако го правят, изображенията обикновено изглеждат нормално.
Това е проблем, казва Франк, защото психологическите проблеми, произтичащи от сътресетелни наранявания на главата, могат да дойдат от увреждане на нивото на клетките, тъй като мозъкът се „пренавива“, докато се опитва да лекува.
„Пренареждането става след обидата, така че не забелязвате“, казва Франк. "Искаме да видим в клетъчния мащаб колко бързо се деформират тези клетки. С тъпа травма имаме много по-голяма база данни. С експлозии, най-вече са хора от въоръжените служби и им е трудно, защото те биха обичат да получават лечение и да получат помощ, но не знаят за какво да екранизират. "
Минали експерименти с плъхове показаха увреждане на мозъка от експлозивни взривове, особено на хипокампуса, но не погледнаха на клетъчно ниво. И докато предишните проучвания при хора са изследвали мозъчните клетки при случаи на нараняване на главата, тъканта е дошла само от пациенти, които вече са умрели.
Тъй като не можем да надникнем в живия човешки мозък, тъй като той е съкрушен, Франк отглежда клетки от мозъци на плъхове върху биологични скелета в гелообразно вещество. Настройката позволява на клетките да растат в клъстери, подобни на това как биха се събрали в мозъка.
Клетките не са толкова плътно опаковани и не правят всички неща, които обикновено правят мозъчните клетки, но осигуряват груб аналог. След това Франк може да изложи тези подобни на мозъка снопове на ударни вълни, за да види какво ще се случи.
Взривната вълна е различна от, да речем, да се удари в главата с тухла, тъй като времевата скала е много по-къса, казва Франк. Типичен удар в главата се случва в течение на няколко хилядни от секундата, докато взривната вълна трае само милионни части от секундата. В допълнение, ефектите на взривната вълна нямат единична, фокусирана точка на произход, както при физически удар.
Франк работи с хипотеза, че ударните вълни от експлозии причиняват явление в човешкия мозък, наречено кавитация - същият процес, който прави мехурчета във водата в близост до витла на лодка. Теорията за кавитацията в мозъка не е нова и има доста солидни доказателства, че кавитацията се случва, но все още нямаме точни наблюдения, за да я заклинем като причина за увреждане на клетките.
Според теорията, когато взрив се случва близо до войник, ударните вълни се движат през черепа и създават малки участъци с ниско налягане в течностите, които обграждат и просмукват мозъка. Когато налягането в някои региони стане достатъчно ниско, се отваря малко пространство или кухина. Малка част от секундата по-късно регионът с ниска плътност се срива.
Тъй като кухините не са перфектно сферични, те се срутват по дългите си оси и всички клетки в близост или се натрошават вътре в кухината, или се удрят с взрив на течност с висока плътност, която стреля от краищата. Изглежда очевидно, че подобно събитие би повредило и убило клетките, но далеч не е ясно как изглежда това увреждане.
Това видео показва, че лазер се изстрелва в неврони, отглеждани в гел, създавайки отново кавитация, предизвикана от ударната вълна, която може да причини мозъчно увреждане при жертви на взрив. (Джон Естрада, Крисчън Франк / Браун университет)Ето защо Франк направи филми на своите мозъчни клетки, отглеждани в лаборатория и представи своите открития тази седмица на 68-ата годишна среща на Отдела за динамика на флуидната динамика на Американското физическо общество в Бостън. За да симулира кавитация от експлозия, той изстрелва лазерни лъчи по клетъчните бучки. Кратките лазерни снимки нагряват бита на гела, задържайки заедно клетъчната матрица, създавайки кухини.
Той използва бял LED, свързан с микроскоп и дифракционна решетка, която генерира изображения от две различни перспективи, за да сканира многократно лазерно взривените клетки. Всяка снимка прави 3D картина на клетките, използвайки двете изображения за генериране на вид 3D филм. След това Франк наблюдаваше килиите един ден, за да види какво правят и дали ще умрат.
Експериментът показва ясни индикации за увреждане на клетките поради кавитация. Но това е само първа стъпка: Вътрешността на мозъка не е равномерна, което затруднява изчисляването на действителното въздействие на кавитацията. В допълнение, моделирането на ефектите от взривната вълна е трудно, защото течността е доста сложна, казва Жак Голер, инженер в Advanced Technology and Research Corporation, който вече е полу-пенсионер. Той експериментира с поставянето на главите на трупове по пътеките на ударни вълни, което предоставя косвени доказателства за кавитация по време на взрив.
Но друг усложняващ фактор е, че черепите вибрират с определени честоти, което може да повлияе на това колко те се деформират и задействат кавитация. „Тъй като черепът вибрира, това може да причини друга серия мехурчета“, казва Голер.
От светлата страна, в експеримента на Франк е възможно да се контролира размерът на мехурчетата и тяхното положение, както и свойствата на гела. Това означава, че бъдещите изследвания могат да използват една и съща настройка за тестване на множество възможни сценарии.
След това нараняванията, които тези лабораторни клетки претърпяват, могат да бъдат сравнени с реални мозъци от жертви на сътресение, за да се получи по-добра картина на случващото се. Това трябва да улесни разработването на лечение и диагнози.
Франк обаче се съгласява, че все още има някакъв път, преди изследователите да знаят със сигурност как взривовете засягат мозъка. "Все още се работи много", каза той. "Намираме се на половината път през това."
