Fremskridt inden for kropsrustning og hjelmdesign betyder, at flere soldater vil overleve ved at være tæt på en eksplosion fra en vejbombe eller fjendens brand. Men mange mennesker kommer tilbage fra slagmarken med hjerneskader, som ikke umiddelbart er synlige og vanskelige at opdage, selv med avancerede scanninger. Problemet er, at det er uklart, hvad en eksplosionsbølge gør for hjernen.
Relateret indhold
- Hvordan en gennemsigtig fisk kan hjælpe med at afkode hjernen
- En fleksibel kredsløb er blevet injiceret i levende hjerner
Christian Franck, en adjunkt i ingeniørvidenskab ved Brown University, forsøger at ændre det ved at tage små grupper af hjerneceller i 3D og tage film af neuroner udsat for små chok. Ideen er at se nøjagtigt, hvordan individuelle hjerneceller ændrer form og reagerer i timerne efter traume.
Cirka 25.000 servicemænd og kvinder led traumatiske hjerneskader i 2014, ifølge det amerikanske forsvarsministerium. Kun 303 af kvæstelserne var "gennemtrængende" eller den type, der efterlader synlige sår. Resten var fra forskellige former for hjernerystelse forårsaget af hændelser som eksplosiver, fald og køretøjsulykker.
De fleste af disse skader - ca. 21.000 - blev betragtet som milde, hvilket betyder, at personen var forvirret, desorienteret eller led hukommelsestab i mindre end 24 timer eller var bevidstløs i 30 minutter eller mindre. Sådanne patienter får normalt ikke hjernescanninger, og hvis de gør det, ser billederne normalt normale.
Det er et problem, siger Franck, fordi psykologiske problemer, der opstår som følge af hjernerystelser i hovedet, kan komme fra skade på celleniveau, da hjernen "trækker sig sammen", når den prøver at heles.
"Tilslutningen foregår efter fornærmelsen, så du ikke lægger mærke til det, " siger Franck. "Vi ønsker at se i celleskalaen, hvor hurtigt disse celler deformeres. Med stump traumer har vi en meget større database. Med eksplosioner er det mest mennesker i de væbnede tjenester, og de har svært ved, fordi de ville kan lide at få adgang til behandling og få hjælp, men de ved ikke, hvad de skal screenes til. "
Tidligere eksperimenter med rotter har vist hjerneskade fra eksplosive sprængninger, især til hippocampus, men så ikke på det cellulære niveau. Og mens tidligere undersøgelser hos mennesker har undersøgt hjerneceller i tilfælde af hovedskade, er vævet kun kommet fra patienter, der allerede var døde.
Da vi ikke kan kigge inde i en levende menneskelig hjerne, når den bliver hjernerystelse, voksede Franck celler fra rottehjerner på biologisk stillads inde i et gellignende stof. Opsætningen tillader cellerne at vokse i klynger, der ligner, hvordan de ville samle sig i en hjerne.
Cellerne er ikke så tætpakket og gør ikke alle de ting, som hjerneceller normalt ville gøre, men de giver en grov analog. Franck kan derefter udsætte disse hjernelignende bundter for chokbølger for at se, hvad der sker.
En eksplosionsbølge er forskellig fra, for eksempel at blive ramt i hovedet med en mursten, fordi tidsskalaen er meget kortere, siger Franck. En typisk lugt i hovedet sker i løbet af et par tusindedele af et sekund, mens en eksplosionsbølge varer kun milliondels sekund. Derudover har virkningerne af en eksplosionsbølge ikke et enkelt, fokuseret oprindelsessted som ved en fysisk strejke.
Franck arbejder med en hypotese om, at chokbølger fra eksplosioner forårsager et fænomen i den menneskelige hjerne kaldet kavitation - den samme proces, der får bobler i vandet nær en bådpropell. Teorien om kavitation i hjerner er ikke ny, og der er temmelig solid dokumentation for, at kavitation sker, men vi har endnu ikke de rette observationer til at behandle den som årsag til celleskade.
I henhold til teorien, når en eksplosion sker i nærheden af en soldat, bevæges chokbølger gennem kraniet og skaber små områder med lavt tryk i væskerne, der omgiver og gennemsyrer hjernen. Når trykket i nogle regioner bliver lavt, åbnes et lille rum eller hulrum op. En lille brøkdel af et sekund senere falder regionen med lav densitet sammen.
Da hulrummet ikke er perfekt kugleformet, kollapser de langs deres lange akser, og celler i nærheden bliver enten knust inde i hulrummet eller bliver ramt med en eksplosion af væsketæthed med høj densitet fra enderne. Det synes åbenlyst, at en sådan begivenhed ville skade celler og dræbe dem, men det er langt fra klart, hvordan denne skade ser ud.
Denne video viser en laser, der fyres ind i neuroner, der er dyrket i en gel, hvilket skaber den chokbølge-inducerede kavitation, der kan forårsage hjerneskade hos eksplosionsofre. (Jon Estrada, Christian Franck / Brown University)Derfor lavede Franck film af sine lab-dyrkede hjerneceller og præsenterede sine resultater denne uge på det 68. årlige møde i American Physical Society's Division of Fluid Dynamics i Boston. For at simulere kavitation fra en eksplosion fyrede han laserstråler mod de cellulære klumper. De korte laserskud opvarmede bits af gelen, der holder cellematrixen sammen, hvilket skaber hulrum.
Han brugte en hvid LED koblet til et mikroskop og et diffraktionsgitter, som genererer billeder fra to forskellige perspektiver for at scanne de laserblæst celler igen og igen. Hvert snapshot fremstiller et 3D-billede af cellerne ved hjælp af de to billeder til at generere en slags 3D-film. Franck så derefter cellerne i en dag for at se, hvad de gjorde, og hvis de døde.
Eksperimentet viste klar indikation af celleskader på grund af kavitation. Men det er bare et første skridt: Indersiden af en hjerne er ikke ensartet, hvilket gør det vanskeligt at beregne den faktiske virkning af kavitation. Derudover er modellering af virkningerne af en eksplosionsbølge hård, fordi den involverede væske er ret kompliceret, siger Jacques Goeller, en ingeniør hos Advanced Technology and Research Corporation, der nu er pensioneret. Han eksperimenterede med at lægge hovedene på lig i stødbølgerens stier, hvilket gav indirekte bevis for kavitation under en eksplosion.
Men en anden komplicerende faktor er, at kranier vibrerer ved bestemte frekvenser, hvilket kan påvirke, hvor meget de deformerer og udløser kavitation. "Da kraniet vibrerer, kan det forårsage en ny serie af bobler, " siger Goeller.
På den lyse side er det i Francks eksperiment muligt at kontrollere størrelsen på boblerne og deres placering samt gelens egenskaber. Det betyder, at fremtidig forskning kan bruge den samme opsætning til at teste flere mulige scenarier.
De skader, disse laboratorieceller lider, kan derefter sammenlignes med rigtige hjerner fra hjernerystelse for at få et bedre billede af, hvad der sker. Det skal gøre det lettere at udvikle behandlinger og diagnoser.
Franck er dog enig i, at der stadig er en vej at gå, før forskerne ved med sikkerhed, hvordan sprængninger påvirker hjernen. ”Det er stadig meget, der er i gang, ” sagde han. "Vi er omtrent halvvejs igennem dette."
