Fremskritt innen kroppsrustning og hjelmdesign gjør at flere soldater vil overleve å være i nærheten av en eksplosjon fra en veikantebombe eller fiendtlig brann. Men mange mennesker kommer tilbake fra slagmarken med hjerneskader som ikke umiddelbart er synlige og som er vanskelige å oppdage selv med avanserte skanninger. Problemet er at det er uklart hva en eksplosjonsbølge gjør for hjernen.
Relatert innhold
- Hvordan en gjennomsiktig fisk kan hjelpe med å avkode hjernen
- En fleksibel krets har blitt injisert i levende hjerner
Christian Franck, assistentprofessor i ingeniørfag ved Brown University, prøver å endre det ved å avbilde små grupper av hjerneceller i 3D og ta filmer av nevroner utsatt for små sjokk. Tanken er å se nøyaktig hvordan individuelle hjerneceller endrer form og reagerer i timene etter traumer.
Omtrent 25.000 ansatte og kvinner fikk traumatiske hjerneskader i 2014, ifølge det amerikanske forsvarsdepartementet. Bare 303 av skadene var "gjennomtrengende", eller den typen som etterlater synlige sår. Resten var fra forskjellige former for hjernerystelse forårsaket av hendelser som eksplosiver, fall og kjøretøyulykker.
De fleste av disse skadene - omtrent 21 000 - ble ansett som milde, noe som betyr at personen var forvirret, desorientert eller led hukommelsestap i mindre enn 24 timer eller var bevisstløs i 30 minutter eller mindre. Slike pasienter får vanligvis ikke hjerneskanninger, og hvis de gjør det, ser bildene generelt normalt ut.
Det er et problem, sier Franck, fordi psykologiske problemer som skyldes hjernerystelse i hodet, kan komme av skader på cellenivå, siden hjernen "kobler om" når den prøver å leges.
"Tilkoblingen skjer etter fornærmelsen, så du legger ikke merke til det, " sier Franck. "Vi vil se i celleskalaen hvor raskt disse cellene blir deformert. Med stumpt traume har vi en mye større database. Med eksplosjoner er det mest mennesker i de væpnede tjenestene, og de har det vanskelig fordi de ville liker å få tilgang til behandling og få hjelp, men de vet ikke hva de skal screenes for. "
Tidligere eksperimenter med rotter har vist hjerneskade fra eksplosive sprengninger, spesielt til hippocampus, men så ikke på cellenivået. Og mens tidligere studier på mennesker har undersøkt hjerneceller i hodeskadesaker, har vevet bare kommet fra pasienter som allerede var døde.
Siden vi ikke kan kikke oss inn i en levende menneskelig hjerne når den blir hjernerystelse, vokste Franck celler fra rottehjerner på biologisk stillas inne i et gel-lignende stoff. Oppsettet gjør at cellene kan vokse i klynger som ligner på hvordan de ville slå seg sammen i en hjerne.
Cellene er ikke så tettpakket og gjør ikke alt det som hjerneceller vanligvis ville gjort, men de gir en grov analog. Franck kan deretter utsette disse hjernelignende buntene for sjokkbølger for å se hva som skjer.
En eksplosjonsbølge er forskjellig fra for eksempel å bli truffet i hodet med en murstein, fordi tidsskalaen er mye kortere, sier Franck. En typisk smell i hodet skjer i løpet av noen tusendels sekund, mens en eksplosjonsbølge varer bare milliondeler av et sekund. I tillegg har ikke effektene av en eksplosjonsbølge et enkelt, fokusert utgangspunkt, som med en fysisk streik.
Franck jobber med en hypotese om at sjokkbølger fra eksplosjoner forårsaker et fenomen i den menneskelige hjernen kalt kavitasjon - den samme prosessen som lager bobler i vannet i nærheten av en båtpropell. Teorien om kavitasjon i hjerner er ikke ny, og det er ganske solid bevis på at kavitasjon skjer, men vi har ikke de rette observasjonene ennå til å klinke den som årsaken til celleskader.
I følge teorien, når en eksplosjon skjer i nærheten av en soldat, beveger sjokkbølger seg gjennom skallen og skaper små områder med lavt trykk i væskene som omgir og gjennomsyrer hjernen. Når trykket i noen regioner blir lavt, åpnes det et lite rom eller hulrom. En liten brøkdel av et sekund senere kollapser lavtetthetsregionen.
Siden hulrommene ikke er perfekt sfæriske, kollapser de langs de lange aksene, og celler i nærheten blir enten knust inne i hulrommet eller blir truffet med en eksplosjon av væskeskyting med høy tetthet fra endene. Det virker åpenbart at en slik hendelse ville skade og drepe celler, men det er langt fra klart hvordan den skadene ser ut.
Denne videoen viser en laser som blir avfyrt inn i nevroner som er dyrket i en gel, og som igjen skaper den sjokkbølge-induserte kavitasjonen som kan forårsake hjerneskade hos eksplosjonsofre. (Jon Estrada, Christian Franck / Brown University)Derfor laget Franck filmer av sine lab-dyrkede hjerneceller og presenterte funnene denne uken på det 68. årlige møtet i American Physical Society's Division of Fluid Dynamics i Boston. For å simulere kavitasjon fra en eksplosjon avfyrte han laserstråler mot de cellulære klumpene. De korte laserskuddene varmet opp biter av gelen som holdt sammen cellematrisen og skapte hulrom.
Han brukte en hvit LED koblet til et mikroskop og et diffraksjonsgitter, som genererer bilder fra to forskjellige perspektiver for å skanne de laserblåste cellene gjentatte ganger. Hvert øyeblikksbilde lager et 3D-bilde av cellene ved å bruke de to bildene til å generere en slags 3D-film. Franck så deretter cellene i et døgn for å se hva de gjorde og om de døde.
Eksperimentet viste tydelig indikasjon på celleskader på grunn av kavitasjon. Men det er bare et første skritt: Innersiden av hjernen er ikke ensartet, noe som gjør det vanskelig å beregne virkningen av kavitasjon. I tillegg er det vanskelig å modellere effekten av en eksplosjonsbølge, fordi væsken som er involvert er ganske komplisert, sier Jacques Goeller, ingeniør i Advanced Technology and Research Corporation, som nå er pensjonert. Han eksperimenterte med å legge likene i sjokkbølgene, noe som ga indirekte bevis for kavitasjon under en eksplosjon.
Men en annen kompliserende faktor er at hodeskaller vibrerer ved bestemte frekvenser, noe som kan påvirke hvor mye de deformerer og utløser kavitasjon. "Da skallen vibrerer, kan den føre til en ny serie med bobler, " sier Goeller.
På den lyse siden, i Francks eksperiment, er det mulig å kontrollere størrelsen på boblene og deres plassering, så vel som gelens egenskaper. Det betyr at fremtidig forskning kan bruke samme oppsett for å teste flere mulige scenarier.
Skadene disse laboratoriecellene lider kan deretter sammenlignes med ekte hjerner fra hjernerystelse for å få et bedre bilde av hva som skjer. Det skal gjøre det lettere å utvikle behandlinger og diagnoser.
Franck er imidlertid enig i at det fortsatt er en vei å gå før forskere vet med sikkerhet hvordan sprengninger påvirker hjernen. "Det er fortsatt mye arbeid som pågår, " sa han. "Vi er omtrent halvveis gjennom dette."
