Hvorfor forårsager nogle hovedstød mere skade end andre?

Veteran søfolk ved, at uhyggelige bølger pludselig kan stige i midten af ​​havet for at kæntre selv de største fartøjer. Nu ser det ud til, at et lignende fænomen kaldet shear shock -bølge forekommer i den hjernerystede hjerne. Det kan hjælpe med at forklare, hvorfor nogle hovedstød forårsager så meget mere skade end andre.

"Vi har for første gang observeret dette særlige bølgefænomen i hjernen, og vi tror, ​​at det kunne være en primær mekanisme for neurale skader i mange typer hovedtraumer, "siger Gianmarco Pinton, Ph.d., en adjunkt i Joint UNC-NC State Department of Biomedical Engineering. Pinton, forskningsassistent professor David Espindola, Ph.d., og forskningstekniker Stephen Lee beskrev deres observationer i et papir, der blev offentliggjort i Fysisk gennemgang anvendt .

For flere år, Pinton har forsøgt at udvikle bedre ultralydsteknikker til sporing af forskydningsbølger i levende væv. Han har været fokuseret på undersøgelsen af ​​slaginducerede forskydningsbølger, som skubber væv med relativt langsom, side-til-side kræfter, i modsætning til de bedre studerede kompressionsbølger, der bevæger sig i slagets retning med lydens hastighed.

Ultralydsbilledteknologi er allerede tilgængelig til sporing af forskydningsbølger i væv, men kun relativt små og svage. Pinton og kolleger, med hjælp fra de seneste fremskridt inden for en teknologi kaldet ultralydselastografi, udviklet en ultralyds billeddannelsesenhed og databehandlingsalgoritmer til at spore de større, kraftigere forskydningsbølger, som de og andre forskere formoder, forårsager vævsskade efter hovedskader.

Til denne undersøgelse, UNC -forskere brugte hjernen fra grise, som tidligere var blevet aflivet under forskellige laboratorieforsøg andre steder. Pintons team fandt ud af, at påvirkninger resulterede i forskydningsbølger, der undertiden bundtede sig sammen og intensiveredes dybt inde i hjernevævet for at danne kortvarige chokbølger. Selvom chokbølgerne ikke varede længe, de leverede næsten ti gange vævsrevne acceleration set i den indledende forskydningsbølge.

"Det var overraskende for os, at denne forstærkning af bølgeacceleration var så stærk, men det var meget tydeligt, "Sagde Pinton." Og det er også klart, at vi skulle se på disse korte chokbølger som en potentiel kilde til hjerneskade. For eksempel, neuroner udsat for en 40 g bølgefront kan være fint. Men en bølge på 400 g kan ødelægge neuroner. "

"G" står for tyngdekraften. Og "g-kraft" repræsenterer en ændring i et objekts hastighed. Når du slår en på ryggen, det er omkring 4g eller 5g. Når du hopper tre fod i luften og lander med benene stive, det er cirka 100 g. Men i det spring, din hjerne modtager ikke kraften.

Vigtigere, hjernen er ikke fastgjort til kraniet. Så, under en bilkollision eller et stort fodboldhit, hjernen accelererer ekstremt hurtigt, da den smækker mod kraniet, får bølger til at forplante sig i hele hjernen. Dette kan føre til skader og hjernerystelse. Det er generelt blevet antaget, at hjernerystelser skyldes påvirkninger på cirka 90 g til 100 g. Men målinger på hovedet af hovedpåvirkninger udfordrer denne antagelse. Andre forskere ved UNC-Chapel Hill har undersøgt hundredtusinder af hovedpåvirkninger under fodboldtræning og -spil. Kun få af spillerne, der oplevede 85 g, fik hjernerystelse. Men nogle spillere fik hjernerystelse ved kun 60 g. Hvorfor?

"Vi tror, ​​at forskydningsstødbølger kan forklare dette særlige puslespil, "Sagde Pinton." Det er lettere at danne disse bølger i hjernen med lavfrekvente påvirkninger - påvirkninger, der opretholdes i længere perioder. Forskelle i påvirkningenes frekvenser kan således forklare de store forskelle i kliniske resultater. "

Pinton sagde forskydningsstødbølger kan hjælpe med at forklare andre mystiske mønstre af skader i tilfælde af hovedskader. Stærke hjernerystelser, for eksempel, forårsager ofte diffus axonal skade, et tilsyneladende tilfældigt mønster af pletter i hele hjernen, hvor neurale ledninger er blevet revet.

"Hjernen har en kompliceret geometri, og du kan forestille dig en uorganiseret bølge, der formerer sig gennem den, så disse stødbølger på visse steder udvikler sig og aftager, efterlader skader i dette ellers uforklarlige mønster, "Sagde Pinton.

Han bemærker, at når forskydningsstødbølger reflekterer fra kraniet eller strukturer i hjernen, de kan give anledning til endnu mere intense accelerationszoner i nærheden. Tænkeligt, der kunne forklare andre hovedskaderelaterede fund, såsom det karakteristiske mønster af tau-proteinaflejringer i tilfælde af kronisk traumatisk encefalopati (CTE).

Det næste trin for Pinton og hans team er at forsøge at forbinde fysikken i forskydningsstødbølger til faktiske kliniske skader. Forskerne arbejder nu med en større forskningsgruppe ved UNC, som har lagt accelerationsmåleinstrumenter i hjelme til UNC fodboldspillere. Når spillerne får store g -påvirkninger og viser hjernerystelse symptomer, Pinton og samarbejdspartnere evaluerer deres MR.

"Vi forsøger at simulere, hvordan forskydningsstødbølgerne dannede sig i atletens hjerne, for at se, om vi kan finde en måde at forudsige, hvornår disse påvirkninger vil forårsage reel skade, " han siger.