Достижения в разработке бронежилетов и шлемов означают, что больше солдат выживут, находясь в непосредственной близости от взрыва от придорожной бомбы или огня противника. Но многие люди возвращаются с поля битвы с черепно-мозговыми травмами, которые не сразу видны, и их трудно обнаружить даже при расширенном сканировании. Проблема в том, что неясно, что взрывная волна делает с мозгом.
Связанный контент
- Как прозрачная рыба может помочь расшифровать мозг
- Гибкий контур был введен в живой мозг
Кристиан Франк, доцент кафедры инженерии в Университете Брауна, пытается изменить это, снимая маленькие группы клеток мозга в 3D и снимая фильмы с нейронами, подверженными крошечным ударам. Идея состоит в том, чтобы точно увидеть, как отдельные клетки мозга изменяют форму и реагируют в течение нескольких часов после травмы.
По данным Министерства обороны США, в 2014 году около 25 000 военнослужащих и женщин получили черепно-мозговые травмы. Только 303 из травм были «проникающими» или такими, которые оставляли видимые раны. Остальные были от различных форм сотрясения мозга, вызванных такими событиями, как взрывчатка, падения и автомобильные аварии.
Большинство из этих травм - около 21 000 - были признаны легкими, что означает, что человек был смущен, дезориентирован или потерял память менее чем на 24 часа или был без сознания в течение 30 минут или менее. Такие пациенты обычно не получают сканирование мозга, и если они делают, изображения обычно выглядят нормально.
Это проблема, говорит Франк, потому что психологические проблемы, возникающие из-за сотрясений головы, могут быть вызваны повреждением на уровне клеток, так как мозг «перестраивается», когда пытается зажить.
«Перестановка происходит после оскорбления, так что вы не замечаете», говорит Франк. «Мы хотим видеть на клеточном уровне, насколько быстро деформируются эти клетки. Из-за тупой травмы у нас гораздо большая база данных. Со взрывами это в основном люди из вооруженных сил, и им трудно, потому что они Мне нравится получать доступ к лечению и получать помощь, но они не знают, что проверять ».
Прошлые эксперименты с крысами показали повреждение мозга от взрывных взрывов, особенно в гиппокампе, но не смотрели на клеточный уровень. И хотя в предыдущих исследованиях на людях изучались клетки головного мозга при травмах головы, ткани поступали только от пациентов, которые уже были мертвы.
Поскольку мы не можем заглянуть внутрь живого человеческого мозга, поскольку он находится в состоянии сотрясения мозга, Франк вырастил клетки из мозга крысы на биологических лесах внутри гелеобразного вещества. Установка позволяет клеткам расти в кластерах подобно тому, как они собирались в мозге.
Клетки не так плотно упакованы и не делают всего того, что обычно делают клетки мозга, но они дают грубый аналог. Франк может затем подвергнуть эти мозговые пучки ударным волнам, чтобы увидеть, что происходит.
Взрывная волна отличается от, скажем, попадания в голову кирпичом, потому что шкала времени намного короче, говорит Франк. Типичный удар в голову происходит в течение нескольких тысячных долей секунды, в то время как взрывная волна длится всего миллионные доли секунды. Кроме того, эффекты взрывной волны не имеют единой, сфокусированной точки происхождения, как при физическом ударе.
Франк работает с гипотезой о том, что ударные волны от взрывов вызывают в человеческом мозге явление, называемое кавитацией, - тот же процесс, при котором пузырьки в воде возникают возле гребного винта лодки. Теория кавитации в мозге не нова, и есть довольно веские доказательства того, что кавитация случается, но у нас пока нет правильных наблюдений, чтобы определить ее как причину повреждения клеток.
Согласно теории, когда взрыв происходит возле солдата, ударные волны проникают через череп и создают небольшие области низкого давления в жидкостях, которые окружают и проникают в мозг. Когда давление в некоторых регионах становится достаточно низким, открывается небольшое пространство или полость. Через доли секунды область с низкой плотностью разрушается.
Поскольку полости не являются идеально сферическими, они разрушаются вдоль своих длинных осей, и любые находящиеся поблизости клетки либо оказываются раздавленными внутри полости, либо поражаются взрывом жидкости высокой плотности, попадающей с концов. Кажется очевидным, что такое событие повредит и убьет клетки, но не совсем ясно, как выглядит это повреждение.
Это видео показывает, как лазер запускается в нейроны, выращенные в геле, воссоздавая вызванную ударной волной кавитацию, которая может вызвать повреждение мозга у жертв взрыва. (Джон Эстрада, Кристиан Франк / Браун Университет)Вот почему Франк снял фильмы о своих выращенных в лаборатории клетках мозга и представил свои результаты на этой неделе на 68-м ежегодном собрании Отдела гидродинамики Американского физического общества в Бостоне. Чтобы смоделировать кавитацию от взрыва, он выпустил лазерные лучи в клеточные комки. Короткие лазерные выстрелы нагревали кусочки геля, скрепляя матрицу клетки, создавая полости.
Он использовал белый светодиод, подключенный к микроскопу, и дифракционную решетку, которая генерирует изображения с двух разных точек зрения, чтобы повторно сканировать разрушенные лазером клетки. Каждый снимок создает трехмерное изображение ячеек, используя два изображения для создания своего рода трехмерного фильма. Затем Франк наблюдал за камерами целый день, чтобы увидеть, что они сделали и умерли ли они.
Эксперимент показал четкие признаки повреждения клеток в результате кавитации. Но это только первый шаг: внутренняя часть мозга не однородна, что затрудняет расчет фактического воздействия кавитации. Кроме того, моделирование эффектов взрывной волны является сложным, потому что вовлеченная жидкость довольно сложна, говорит Жак Геллер, инженер в корпорации Advanced Technology and Research Corporation, которая сейчас находится в отставке. Он экспериментировал с помещением голов трупов на пути ударных волн, что дало косвенные доказательства кавитации во время взрыва.
Но еще одним осложняющим фактором является то, что черепа вибрируют на определенных частотах, что может повлиять на степень их деформации и вызвать кавитацию. «Поскольку череп вибрирует, он может вызвать еще одну серию пузырей», - говорит Геллер.
С другой стороны, в эксперименте Франка можно контролировать размер пузырьков и их положение, а также свойства геля. Это означает, что будущие исследования могут использовать одну и ту же настройку для тестирования нескольких возможных сценариев.
Травмы, которые получают эти лабораторные клетки, можно сравнить с реальным мозгом жертв сотрясения мозга, чтобы получить более полное представление о том, что происходит. Это должно облегчить разработку методов лечения и диагностики.
Франк соглашается, однако, что есть еще какой-то путь, прежде чем исследователи точно знают, как взрывы влияют на мозг. «Пока еще много работы», - сказал он. «Мы примерно на полпути через это».
