Napredek v karoserijskem oklepu in zasnovi čelade pomeni, da bo več vojakov preživelo blizu eksplozije ob obcestne bombe ali sovražnega ognja. Toda veliko ljudi se vrne z bojišča s poškodbami možganov, ki jih ni mogoče takoj opaziti in jih je težko zaznati celo z naprednimi pregledi. Težava je v tem, da ni povsem jasno, kaj eksplozijski val naredi možganom.
Sorodne vsebine
- Kako lahko pregledna riba pomaga dešifrirati možgane
- Fleksibilno vezje se je vbrizgalo v žive možgane
Christian Franck, docent za inženirstvo na univerzi Brown, to poskuša spremeniti s slikanjem majhnih skupin možganskih celic v 3D-u in snemanjem filmov nevronov, ki so izpostavljeni drobnim pretresom. Ideja je natančno videti, kako posamezne možganske celice v urah po travmi spreminjajo obliko in reagirajo.
V letu 2014 je travmatične poškodbe možganov utrpelo približno 25.000 vojakov in žensk, poroča ameriško ministrstvo za obrambo. Le 303 poškodb je bilo "prodornih" ali takšnih, ki puščajo vidne rane. Ostali so bili iz različnih oblik pretresa, ki so jih povzročili dogodki, kot so eksplozivi, padci in nesreče v vozilih.
Večina teh poškodb - približno 21.000 - je bila obravnavana kot blaga, kar pomeni, da je bila oseba zmedena, dezorientirana ali je izgubila spomin manj kot 24 ur ali je bila v nezavesti 30 minut ali manj. Takšni bolniki ponavadi ne preiščejo možganov, če so, pa slike običajno izgledajo normalno.
To je težava, pravi Franck, saj psihološke težave, ki izhajajo iz pretresljivih poškodb glave, lahko izvirajo iz poškodbe na ravni celice, saj se možgani, ko se poskušajo zaceliti, "ponovno oživijo".
"Ponovno ožičenje poteka po žalitvi, zato je ne opazite, " pravi Franck. "Na celičnem merilu želimo videti, kako hitro se te celice deformirajo. S turobno travmo imamo veliko večjo bazo podatkov. Z eksplozijami so večinoma ljudje v oboroženih službah in jim je težko, ker bi radi dostopajo do zdravljenja in poiščejo pomoč, vendar ne vedo, na kaj bi jih pregledali. "
Pretekli poskusi s podganami so pokazali poškodbe možganov zaradi eksplozivnih eksplozij, zlasti v hipokampusu, vendar na celici niso bili preučeni. Medtem ko so prejšnje študije na ljudeh pregledale možganske celice v primerih poškodbe glave, je tkivo prišlo le od že umrlih bolnikov.
Ker ne moremo vdreti v žive človeške možgane, ko se je to stresalo, je Franck gojil celice iz možganov podgane na bioloških odrih znotraj gela podobne snovi. Nastavitev omogoča, da celice rastejo v grozdih, podobno kot bi se združile v možganih.
Celice niso tako gosto pakirane in ne počnejo vseh stvari, ki bi jih ponavadi delale možganske celice, vendar zagotavljajo grob analog. Franck lahko potem te svežnje, podobne možganom, izpostavi udarnim valom, da vidi, kaj se zgodi.
Valilni val je drugačen od, recimo, udarca v glavo z opeko, saj je časovna lestvica precej krajša, pravi Franck. Tipičen zalogaj v glavi se zgodi v nekaj tisočinkah sekunde, medtem ko eksplozijski val traja le milijoninko sekunde. Poleg tega učinki eksplozije nimajo enotne osredotočene točke izvora, kot pri fizičnem udaru.
Franck sodeluje s hipotezo, da udarni valovi zaradi eksplozij v človeških možganih imenujejo kavitacijo - enak postopek, ki v vodi ustvarja mehurčke v bližini propelerja čolna. Teorija kavitacije v možganih ni nova in obstajajo precej trdni dokazi, da se kavitacija zgodi, vendar še nimamo pravih opažanj, da bi jo lahko vzpostavili kot vzrok okvare celic.
Po teoriji, ko se eksplozija zgodi v bližini vojaka, se udarni valovi gibljejo skozi lobanjo in ustvarjajo majhne predele nizkega tlaka v tekočinah, ki obdajajo in prežemajo možgane. Ko postane tlak v nekaterih regijah dovolj nizek, se odpre majhen prostor ali votlina. Majhno delno sekundo pozneje se območje z nizko gostoto zruši.
Ker votline niso popolnoma sferične, se zrušijo vzdolž svojih dolgih osi, katere koli celice v bližini se bodisi zdrobijo v votlini, bodisi pa se udarijo s puhanjem tekočine visoke gostote s koncev. Zdi se očitno, da bi tak dogodek poškodoval in ubil celice, vendar še zdaleč ni jasno, kako ta škoda izgleda.
V tem videoposnetku je prikazano, kako laser sproži v nevrone, gojene v gelu, in na novo ustvari kavitacijo, ki jo povzroči udarni val, ki lahko pri žrtvah eksplozije povzroči poškodbe možganov. (Jon Estrada, Christian Franck / Brown University)Zato je Franck posnel filme svojih laboratorijsko gojenih možganskih celic in svoje ugotovitve predstavil ta teden na 68. letnem srečanju Oddelka za tekočinsko dinamiko Ameriškega fizikalnega društva v Bostonu. Da bi simuliral kavitacijo zaradi eksplozije, je izstrelil laserske žarke na celične grude. Kratki laserski posnetki so segreli koščke gela, ki so združili celično matrico in ustvarili votline.
Uporabil je belo LED diodo, povezano z mikroskopom in difrakcijsko rešetko, ki ustvarja slike iz dveh različnih perspektiv za večkratno skeniranje lasersko razstreljenih celic. Vsak posnetek naredi 3D sliko celic z uporabo obeh slik za ustvarjanje neke vrste 3D filma. Franck je nato cel dan opazoval celice, da bi videl, kaj so storili in če bodo umrli.
Poskus je pokazal jasne indikacije poškodb celic zaradi kavitacije. Toda to je samo prvi korak: Notranjost možganov ni enotna, zato je težko izračunati dejanski vpliv kavitacije. Poleg tega je modeliranje vplivov eksplozije težko, saj je vpletena tekočina dokaj zapletena, pravi Jacques Goeller, inženir pri korporaciji Advanced Technology and Research Corporation, ki je zdaj že polno upokojen. Eksperimentiral je s postavljanjem glav trupel na poti udarnih valov, kar je dalo posredne dokaze za kavitacijo med eksplozijo.
Toda še en zapleten dejavnik je, da lobanje vibrirajo na določenih frekvencah, kar lahko vpliva na to, koliko se deformirajo in sprožijo kavitacijo. "Ker lobanja vibrira, lahko povzroči še eno vrsto mehurčkov, " pravi Goeller.
S svetle strani je v Franckovem poskusu mogoče nadzorovati velikost mehurčkov in njihov položaj ter lastnosti gela. To pomeni, da bodo prihodnje raziskave lahko uporabile isto nastavitev za testiranje več možnih scenarijev.
Poškodbe, ki jih te laboratorijske celice utrpijo, je mogoče nato primerjati s pravimi možgani žrtev pretresa možganov, da bi dobili boljšo sliko dogajanja. To bi moralo olajšati razvoj zdravljenja in diagnoze.
Franck se sicer strinja, da je treba še počakati, preden raziskovalci zagotovo vedo, kako eksplozije vplivajo na možgane. "Še vedno je veliko dela, " je dejal. "Skoraj smo na polovici tega."
