Lisävarusteet panssari- ja kypäräsuunnittelussa tarkoittavat sitä, että useammat sotilaat selviävät lähellä tienpommin tai vihollisen tulen räjähdystä. Mutta monet ihmiset tulevat takaisin taistelukentältä aivovammoilla, jotka eivät ole heti näkyvissä ja joita on vaikea havaita edes edistyneillä skannauksilla. Ongelmana on, että on epäselvää, mitä räjähdys aalto tekee aivoille.
Asiaan liittyvä sisältö
- Kuinka läpinäkyvä kala voi auttaa aivojen dekoodaamista
- Eläviin aivoihin on injektoitu joustava piiri
Christian Franck, Brownin yliopiston tekniikan apulaisprofessori, yrittää muuttaa tätä kuvantamalla pieniä aivosolujen ryhmiä 3D: ssä ja ottamalla elokuvia hermoista, jotka altistuvat pienille iskuille. Ajatuksena on nähdä tarkalleen kuinka yksittäiset aivosolut muuttavat muotoaan ja reagoivat tunnin jälkeen traumasta.
Yhdysvaltain puolustusministeriön mukaan vuonna 2014 noin 25 000 palvelijaa ja naista kärsi traumaattisista aivovaurioista. Vain 303 vammoista oli "tunkeutuvia" tai sellaisia, jotka jättävät näkyvät haavat. Loput olivat erilaisista aivotärähdyksistä, joita aiheutti tapahtumia, kuten räjähteet, putoukset ja ajoneuvoonnettomuudet.
Suurinta osaa näistä vammoista - noin 21 000 - pidettiin lievinä, mikä tarkoittaa, että henkilö oli sekava, häiriintynyt tai menettänyt muistin vähemmän kuin 24 tuntia tai tajuton vähintään 30 minuutin ajan. Tällaiset potilaat eivät yleensä saa aivaskannauksia, ja jos ne tekevät, kuvat näyttävät yleensä normaalilta.
Se on ongelma, Franck sanoo, koska aivotärähdyspään aiheuttamat psykologiset ongelmat voivat johtua solutason vaurioista, koska aivot "kiertyvät" yrittäessään parantaa.
"Kytkentä tapahtuu loukkauksen jälkeen, joten et huomaa", Franck sanoo. "Haluamme nähdä solutasolla, kuinka nopeasti nämä solut deformoituvat. Tylsän trauman avulla meillä on paljon suurempi tietokanta. Räjähdyksissä se on enimmäkseen asevoimien ihmisiä, ja heillä on vaikeuksia, koska he haluaisivat haluavat päästä hoitoon ja saada apua, mutta he eivät tiedä mitä seuloa. "
Aikaisemmat kokeet rotilla ovat osoittaneet aivovaurioita räjähtävistä räjähdyksistä, etenkin hippokampukseen, mutta eivät katsoneet solutasoa. Ja vaikka aiemmissa ihmisillä tehdyissä tutkimuksissa on tutkittu aivosoluja päänvammatapauksissa, kudos on tullut vain potilailta, jotka olivat jo kuolleet.
Koska emme voi käydä vertaisarvoisena elävien ihmisaivojen sisällä, kun sitä neuvotellaan, Franck kasvatti solut rotan aivoista biologisilla telineillä geelimäisen aineen sisällä. Asennuksen avulla solut voivat kasvaa klusterissa, jotka ovat samanlaisia kuin ne ryhtyisivät aivoihin.
Solut eivät ole niin tiheästi pakattuja eivätkä tee kaikkia asioita, joita aivosolut yleensä tekisivät, mutta ne tarjoavat karkean analogin. Franck voi sitten altistaa nämä aivojen kaltaiset niput iskuille aalloille nähdäksesi mitä tapahtuu.
Räjähtävä aalto eroaa esimerkiksi päästämällä kiinni päähän, koska aikataulu on paljon lyhyempi, Franck sanoo. Tyypillinen pätkä pään kohdalla tapahtuu muutaman tuhannen sekunnin sekunnin aikana, kun taas räjähdys aalto kestää vain miljoonan sekunnin. Lisäksi räjähtävän aallon vaikutuksilla ei ole yhtä keskittynyttä lähtökohtaa, kuten fyysisen iskun yhteydessä.
Franck työskentelee hypoteesin kanssa, jonka mukaan räjähdyksistä aiheutuvat iskuaallot aiheuttavat ihmisen aivoissa ilmiötä, nimeltään kavitaatio - sama prosessi, joka muodostaa vesikuplia veneen potkurin lähellä. Aivojen kavitaation teoria ei ole uusi, ja on olemassa melko vankkaa näyttöä siitä, että kavitaatio tapahtuu, mutta meillä ei ole vielä oikeita havaintoja, joiden avulla se voitaisiin pitää solujen vaurioiden syynä.
Teorian mukaan, kun räjähdys tapahtuu sotilaan lähellä, iskuaallot liikkuvat kallon läpi ja luovat pieniä matalan paineen alueita nesteisiin, jotka ympäröivät ja läpäisevät aivot. Kun paine laskee joillakin alueilla riittävän alhaiseksi, pieni tila tai onkalo avautuu. Pieni murto-osa sekunnista myöhemmin pienitiheysalue romahtaa.
Koska ontelot eivät ole täysin pallomaisia, ne romahtavat pitkiä akseleitaan, ja lähellä olevat solut joko murskautuvat ontelon sisään tai iskevät iskunpään voimakkaasti nestettä ampuessaan päistä. Vaikuttaa selvältä, että tällainen tapahtuma vahingoittaisi ja tappaisi soluja, mutta ei ole kaukana siitä, miltä tämä vahinko näyttää.
Tämä video näyttää laserin laukaisun geelissä kasvatettuihin neuroneihin, mikä luo uudelleen iskun aallon indusoiman kavitaation, joka voi aiheuttaa aivovaurioita räjähdysuhrit. (Jon Estrada, Christian Franck / Brown-yliopisto)Siksi Franck teki elokuvia laboratoriossaan kasvaneista aivosoluistaan ja esitteli havaintonsa tällä viikolla Bostonissa American Physical Society -ryhmän nestesynamiikan osaston 68. vuosikokouksessa. Simuloidaksesi kavitaatiota räjähdyksestä, hän ampui lasersäteitä solukkoihin. Lyhyet laserkuvaukset lämmittivät geelin bittejä pitäen solumatriisin yhdessä, muodostaen onteloita.
Hän käytti valkoista led-liitäntää, joka oli kytketty mikroskooppiin, ja diffraktioristikkoa, joka tuottaa kuvia kahdesta eri näkökulmasta skannataksesi laserpuhalluskennon toistuvasti. Jokainen tilannekuva tekee 3D-kuvan soluista käyttämällä näitä kahta kuvaa 3D-elokuvan tuottamiseksi. Sitten Franck seurasi soluja päivän ajan nähdäkseen mitä he tekivät ja kuolivatko he.
Koe osoitti selvän indikaation kavitaatiosta johtuvista soluvaurioista. Mutta se on vain ensimmäinen askel: Aivojen sisäpuoli ei ole tasainen, mikä tekee kavitaation todellisen vaikutuksen laskemisesta vaikeaa. Lisäksi räjähdysaaltovaikutusten mallintaminen on vaikeaa, koska mukana oleva neste on melko monimutkaista, sanoo Advanced Technology and Research Corporation -insinööri Jacques Goeller, joka on nyt puoliksi eläkkeellä. Hän kokeili ruumiiden päiden asettamista iskuaaltojen poluille, mikä tarjosi epäsuoraa näyttöä kavitaatiolle räjähdyksen aikana.
Mutta toinen monimutkaistava tekijä on se, että kallot värähtelevät tietyillä taajuuksilla, mikä voi vaikuttaa niiden muodonmuutoksen määrään ja laukaista kavitaation. "Koska kallo värisee, se voi aiheuttaa uuden sarjan kuplia", Goeller sanoo.
Kirkkaalla puolella Franckin kokeessa on mahdollista hallita kuplien kokoa ja niiden sijaintia sekä geelin ominaisuuksia. Tämä tarkoittaa, että tulevaisuuden tutkimus voi käyttää samaa asetusta useiden mahdollisten skenaarioiden testaamiseen.
Näiden laboratoriosolujen aiheuttamat vammat voidaan sitten verrata aivotärähdyksen uhrien todellisiin aivoihin saadaksesi paremman kuvan tapahtumasta. Tämän pitäisi helpottaa hoitojen ja diagnoosien kehittämistä.
Franck on kuitenkin yhtä mieltä siitä, että tiellä on vielä jonkin verran matkaa, ennen kuin tutkijat tietävät varmasti, kuinka räjähdykset vaikuttavat aivoihin. "Se on vielä paljon meneillään olevaa työtä", hän sanoi. "Olemme noin puolivälissä tämän."
