Napredak u dizajnu karoserije i kaciga znači da će više vojnika preživjeti blizu eksplozije od obruba bombe ili neprijateljske vatre. No mnogi se ljudi vraćaju s bojnog polja s ozljedama mozga koje nisu odmah vidljive i teško ih je prepoznati čak i uz napredne pretrage. Problem je u tome što nije jasno samo što eksplozivni val mozak radi.
Povezani sadržaj
- Kako prozirna riba može pomoći u dekodiranju mozga
- Fleksibilni krug ubrizgan je u živi mozak
Christian Franck, docent inženjerstva na Sveučilištu Brown, pokušava to promijeniti prikazom malih skupina moždanih stanica u 3D-u i snimanjem filmova o neuronima koji su izloženi sitnim udarcima. Ideja je vidjeti točno kako pojedine stanice mozga mijenjaju oblik i reagiraju satima nakon traume.
Oko 25.000 vojnika i žena zadobilo je traumatične ozljede mozga u 2014. godini, prema američkom Ministarstvu obrane. Samo 303 ozljede bile su "prodorne", ili vrste koje ostavljaju vidljive rane. Ostalo je bilo od različitih oblika potresa uzrokovanih događajima poput eksploziva, pada i nesreća na vozilima.
Većina tih ozljeda - oko 21 000 - smatrana je blagima, što znači da je osoba bila zbunjena, dezorijentirana ili je pretrpjela gubitak pamćenja manje od 24 sata ili bila u nesvijesti 30 minuta ili manje. Takvi pacijenti obično ne pretražuju mozak, a ako dođu, slike uglavnom izgledaju normalno.
To je problem, kaže Franck, jer psihološki problemi koji proizlaze iz potresnih ozljeda glave mogu proizaći iz oštećenja na razini ćelije, jer mozak "ponovno" namotava dok pokušava zacijeliti.
"Ponovno spajanje se vrši nakon uvrede, tako da ne primjećujete", kaže Franck. "Želimo vidjeti na staničnoj skali koliko brzo se te stanice deformišu. S tupom traumom imamo puno veću bazu podataka. Uz eksplozije, uglavnom su to ljudi u oružanim službama, a oni teško prolaze, jer bi vole pristupiti liječenju i potražiti pomoć, ali ne znaju za što pretraživati. "
Dosadašnji eksperimenti s štakorima pokazali su oštećenje mozga eksplozivnim eksplozijama, posebno na hipokampusu, ali nisu promatrali staničnu razinu. I dok su prethodne studije na ljudima ispitivale moždane stanice u slučajevima ozljede glave, tkivo je stiglo samo od pacijenata koji su već bili mrtvi.
Budući da ne možemo zaviriti u živi ljudski mozak dok je potresan, Franck je uzgajao stanice iz mozga štakora na biološkim skelama unutar gela slične tvari. Postavljanje omogućuje stanicama da rastu u klasterima slično kao što bi se stvorile u mozgu.
Stanice nisu tako gusto upakirane i ne rade sve ono što bi obično činile moždane stanice, ali pružaju grubi analog. Franck tada može izložiti ove snopove slične mozgu udarnim valovima da vidi što se događa.
Val eksplozije razlikuje se od, recimo, udaranja opekom u glavu, jer je vremenska skala mnogo kraća, kaže Franck. Tipičan udari u glavi događaju se tijekom nekoliko tisućica sekunde, dok eksplozivni val traje samo nekoliko milijuna sekunde. Osim toga, učinci eksplozivnog vala nemaju jedinstvenu, fokusiranu točku podrijetla, kao s fizičkim udarcem.
Franck radi s hipotezom da udarni valovi od eksplozija uzrokuju pojavu u ljudskom mozgu zvanu kavitacija - isti postupak koji stvara mjehuriće u vodi u blizini propelera. Teorija kavitacije u mozgu nije nova, a postoje prilično čvrsti dokazi da se kavitacija događa, ali još nemamo ispravna zapažanja koja bi je mogla smatrati uzrokom oštećenja stanica.
Prema teoriji, kako se eksplozija događa u blizini vojnika, udarni valovi se kreću kroz lubanju i stvaraju mala područja niskog tlaka u tekućinama koje okružuju i prožimaju mozak. Kad tlak u nekim regijama postane dovoljno nizak, otvara se mali prostor ili šupljina. Sitnim dijelom sekunde kasnije, područje niske gustoće propada.
Budući da šupljine nisu savršeno sferne, kolabiraju se duž duge osi, a bilo koje stanice u blizini bilo se usitnjavaju unutar šupljine ili udaraju eksplozijom tekućine visoke gustoće koja puca s krajeva. Čini se očiglednim da bi takav događaj oštetio i ubio stanice, ali daleko je od toga kako izgleda ta šteta.
Ovaj video prikazuje laser koji puca u neurone uzgajane u gelu, ponovno stvarajući kavitaciju izazvanu udarnim valom koja može izazvati oštećenje mozga kod žrtava eksplozije. (Jon Estrada, Christian Franck / Sveučilište Brown)Zbog toga je Franck snimio filmove svojih laboratorijski uzgojenih moždanih stanica i predstavio svoja otkrića ovog tjedna na 68. godišnjem sastanku Odjela američke fizičke organizacije za fluidnu dinamiku u Bostonu. Da bi simulirao kavitaciju od eksplozije, ispalio je laserske zrake na stanične nakupine. Kratki laserski snimci zagrijavali su dijelove gela koji drže zajedno ćelijsku matricu, stvarajući šupljine.
Upotrijebio je bijeli LED spojen na mikroskop i difrakcijsku rešetku, koji generira slike iz dvije različite perspektive za višestruko skeniranje lasersko raznesenih stanica. Svaka snimka stvara 3D sliku ćelija koristeći dvije slike za generiranje svojevrsnog 3D filma. Franck je tada jedan dan promatrao stanice kako bi vidio što su učinili i jesu li umrli.
Eksperiment je pokazao jasne indikacije oštećenja stanica uslijed kavitacije. Ali to je samo prvi korak: Unutrašnjost mozga nije ujednačena, što otežava izračunavanje stvarnog utjecaja kavitacije. Pored toga, teško je modelirati učinke eksplozivnog vala, jer je uključena tekućina prilično složena, kaže Jacques Goeller, inženjer iz Advanced Technology and Research Corporation koji je sada u polu-penziji. Eksperimentirao je s postavljanjem glava leševa u staze udarnih valova, što je pružalo neizravne dokaze o kavitaciji tijekom eksplozije.
Ali još jedan komplicirajući faktor je da lubanje vibriraju određenim frekvencijama, što može utjecati na njihovu deformaciju i pokrenuti kavitaciju. "Kako lubanja vibrira, može uzrokovati još jedan niz mjehurića", kaže Goeller.
S svijetle strane, u Franckovom pokusu moguće je kontrolirati veličinu mjehurića i njihov položaj, kao i svojstva gela. To znači da će se budućim istraživanjem moći koristiti iste postavke za testiranje više mogućih scenarija.
Ozljede ovih laboratorijskih stanica tada se mogu usporediti sa stvarnim mozgovima žrtava potresa kako bi se dobila bolja slika onoga što se događa. To bi trebalo olakšati razvoj liječenja i dijagnoza.
Franck se slaže, međutim, da ima još neki način prije nego što istraživači zasigurno saznaju kako eksplozije utječu na mozak. "Još je puno posla u tijeku", rekao je. "Prošli smo na pola puta kroz ovo."
