I progressi nella progettazione di armature e elmetti significano che più soldati sopravviveranno vicino all'esplosione di una bomba sul ciglio della strada o di un incendio nemico. Ma molte persone tornano dal campo di battaglia con lesioni cerebrali che non sono immediatamente visibili e sono difficili da rilevare anche con scansioni avanzate. Il problema è che non è chiaro cosa fa un'onda esplosiva al cervello.
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Christian Franck, un assistente professore di ingegneria alla Brown University, sta cercando di cambiarlo immaginando piccoli gruppi di cellule cerebrali in 3D e prendendo filmati di neuroni esposti a piccoli shock. L'idea è di vedere esattamente come le singole cellule cerebrali cambiano forma e reagiscono nelle ore successive al trauma.
Nel 2014, circa 25.000 militari e donne hanno subito lesioni traumatiche al cervello, secondo il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. Solo 303 delle ferite erano "penetranti" o del tipo che lasciava ferite visibili. Il resto proveniva da varie forme di commozione cerebrale causate da eventi come esplosivi, cadute e incidenti automobilistici.
La maggior parte di queste lesioni - circa 21.000 - sono state considerate lievi, il che significa che la persona era confusa, disorientata o ha perso la memoria per meno di 24 ore o era incosciente per 30 minuti o meno. Tali pazienti di solito non ricevono scansioni cerebrali e, se lo fanno, le immagini sembrano generalmente normali.
Questo è un problema, dice Franck, perché i problemi psicologici derivanti da traumi cranici concussivi possono derivare da danni a livello cellulare, poiché il cervello "ricabla" mentre cerca di guarire.
"Il ricablaggio avviene dopo l'insulto, quindi non te ne accorgi", dice Franck. "Vogliamo vedere a livello cellulare la velocità con cui queste cellule vengono deformate. Con un trauma contundente abbiamo un database molto più grande. Con le esplosioni, sono soprattutto le persone nei servizi armati, e stanno avendo difficoltà perché piace accedere al trattamento e ottenere aiuto, ma non sanno cosa cercare ".
Esperimenti passati con ratti hanno mostrato danni cerebrali da esplosioni esplosive, in particolare all'ippocampo, ma non hanno esaminato il livello cellulare. E mentre studi precedenti sull'uomo hanno esaminato le cellule cerebrali in casi di trauma cranico, il tessuto proviene solo da pazienti che erano già morti.
Dal momento che non possiamo scrutare all'interno di un cervello umano vivo mentre viene travolto, Franck ha sviluppato cellule da cervelli di ratto su impalcature biologiche all'interno di una sostanza gelatinosa. L'impostazione consente alle cellule di crescere in gruppi simili a come si accumulerebbero in un cervello.
Le cellule non sono così densamente imballate e non stanno facendo tutte le cose che le cellule cerebrali farebbero di solito, ma forniscono un analogo approssimativo. Franck può quindi esporre questi fasci simili al cervello alle onde d'urto per vedere cosa succede.
Un'onda di scoppio è diversa, per esempio, essere colpita alla testa con un mattone, perché la scala dei tempi è molto più breve, dice Franck. Un tipico colpo alla testa si verifica nel corso di pochi millesimi di secondo, mentre un'onda di scoppio dura solo un milionesimo di secondo. Inoltre, gli effetti di un'onda esplosiva non hanno un unico punto di origine focalizzato, come nel caso di un colpo fisico.
Franck sta lavorando con un'ipotesi che le onde d'urto causate da esplosioni causino un fenomeno nel cervello umano chiamato cavitazione, lo stesso processo che crea bolle nell'acqua vicino a un'elica di una barca. La teoria della cavitazione nel cervello non è nuova, e ci sono prove abbastanza solide che la cavitazione si verifichi, ma non abbiamo ancora le osservazioni giuste per affermarla come causa del danno cellulare.
Secondo la teoria, quando si verifica un'esplosione vicino a un soldato, le onde d'urto si muovono attraverso il cranio e creano piccole regioni di bassa pressione nei liquidi che circondano e permeano il cervello. Quando la pressione in alcune regioni si abbassa abbastanza, si apre un piccolo spazio o cavità. Una piccola frazione di secondo dopo, la regione a bassa densità collassa.
Poiché le cavità non sono perfettamente sferiche, collassano lungo i loro lunghi assi e tutte le cellule vicine vengono schiacciate all'interno della cavità o colpite da un'esplosione di fluido ad alta densità che spara dalle estremità. Sembra ovvio che un tale evento danneggerebbe e ucciderebbe le cellule, ma è tutt'altro che chiaro quale sia il danno.
Questo video mostra un laser che viene lanciato nei neuroni cresciuti in un gel, ricreando la cavitazione indotta dalle onde d'urto che può causare danni al cervello nelle vittime dell'esplosione. (Jon Estrada, Christian Franck / Brown University)Ecco perché Franck ha girato film sulle sue cellule cerebrali cresciute in laboratorio e ha presentato le sue scoperte questa settimana al 68 ° incontro annuale della Divisione di Fluid Dynamics dell'American Physical Society a Boston. Per simulare la cavitazione da un'esplosione, ha sparato raggi laser sui grumi cellulari. I brevi colpi laser hanno riscaldato frammenti di gel che tengono insieme la matrice cellulare, creando cavità.
Ha usato un LED bianco accoppiato a un microscopio e un reticolo di diffrazione, che genera immagini da due diverse prospettive per scansionare ripetutamente le celle laserate. Ogni istantanea crea un'immagine 3D delle celle usando le due immagini per generare una sorta di film 3D. Franck ha poi guardato le celle per un giorno per vedere cosa facevano e se morivano.
L'esperimento ha mostrato una chiara indicazione del danno cellulare dovuto alla cavitazione. Ma è solo un primo passo: l'interno di un cervello non è uniforme, il che rende difficile il calcolo dell'impatto effettivo della cavitazione. Inoltre, modellare gli effetti di un'onda di scoppio è difficile, perché il fluido in questione è piuttosto complesso, afferma Jacques Goeller, un ingegnere di Advanced Technology and Research Corporation che ora è semi-in pensione. Ha sperimentato mettendo le teste dei cadaveri nei percorsi delle onde d'urto, che hanno fornito prove indirette di cavitazione durante un'esplosione.
Ma un altro fattore complicante è che i teschi vibrano a determinate frequenze, il che può influenzare la loro deformazione e innescare la cavitazione. "Poiché il cranio vibra, può causare un'altra serie di bolle", afferma Goeller.
Sul lato positivo, nell'esperimento di Franck è possibile controllare la dimensione delle bolle e la loro posizione, nonché le proprietà del gel. Ciò significa che la ricerca futura può utilizzare la stessa configurazione per testare più scenari possibili.
Le lesioni subite da queste cellule di laboratorio possono quindi essere confrontate con i cervelli reali delle vittime di commozione cerebrale per avere un quadro migliore di ciò che sta accadendo. Ciò dovrebbe facilitare lo sviluppo di trattamenti e diagnosi.
Franck concorda, tuttavia, che c'è ancora molta strada da fare prima che i ricercatori sappiano con certezza in che modo le esplosioni colpiscono il cervello. "Sono ancora molti i lavori in corso", ha detto. "Siamo circa a metà strada attraverso questo."
