ボディアーマーとヘルメットの設計の進歩により、より多くの兵士が道端の爆弾や敵の砲火からの爆発に近づいて生き残ることができます。 しかし、多くの人が戦場から戻ってきますが、脳の損傷はすぐには見えず、高度なスキャンでも検出するのが困難です。 問題は、爆発波が脳に何をするかがはっきりしないことです。
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ブラウン大学の工学助教授であるクリスチャン・フランクは、脳細胞の小さなグループを3Dで画像化し、小さな衝撃にさらされたニューロンの動画を撮ることで、それを変えようとしています。 アイデアは、個々の脳細胞が外傷後数時間でどのように形を変え、反応するかを正確に見ることです。
米国国防総省によると、2014年に約25, 000人の軍人と女性が外傷性脳損傷を負いました。 負傷者のうち303人のみが「貫通」しており、目に見える傷を残しています。 残りは、爆発物、転倒、車両事故などのイベントによって引き起こされたさまざまな形態の脳震盪によるものでした。
これらの負傷のほとんど（約21, 000）は軽度とみなされました。つまり、その人は24時間以内に混乱、混乱、または記憶喪失に苦しんだか、30分以内に意識不明になりました。 このような患者は通常脳スキャンを取得しません。脳スキャンを行った場合、画像は通常正常に見えます。
フランクは、脳が治癒しようと「再配線」するため、脳震盪による頭部外傷から生じる心理的な問題は細胞レベルの損傷に起因する可能性があるため、これが問題だと言います。
「再配線はin辱の後に行われるため、気づかないでしょう」とフランクは言います。 「これらの細胞が変形している速さを細胞スケールで見たい。鈍的外傷では、はるかに大きなデータベースがある。爆発では、ほとんどが武装したサービスの人々であり、彼らは苦労している治療を受けて助けを求めるのが好きですが、彼らは何のためにスクリーニングすべきかわかりません。」
ラットを使用した過去の実験では、爆発的な爆発、特に海馬による脳損傷が示されていますが、細胞レベルは確認されていません。 また、ヒトでの以前の研究では頭部外傷の場合の脳細胞を調べてきましたが、組織はすでに死亡した患者からのものにすぎません。
脳が震動しているため、人間の脳の内部を覗き込むことはできないため、フランクは、ゲルのような物質の内部の生物学的足場上でラットの脳から細胞を成長させました。 このセットアップにより、細胞が脳内で集まってくるのと同じように、細胞がクラスター状に成長できます。
細胞はそれほど密集しておらず、脳細胞が通常行うすべてのことを行っているわけではありませんが、大まかなアナログを提供します。 フランクは、これらの脳のような束を衝撃波にさらして、何が起こるかを見ることができます。
時間スケールがはるかに短いため、爆風は、たとえばレンガで頭を打つこととは異なります、とフランクは言います。 頭部の典型的なスナックは、数千分の1秒の間に発生しますが、爆発波はわずか100万分の1秒しか続きません。 さらに、爆発波の効果は、物理的な打撃のように、単一の焦点を合わせた原点を持っていません。
フランクは、爆発による衝撃波がキャビテーションと呼ばれる現象を人間の脳に引き起こすという仮説に取り組んでいます。キャビテーションは、ボートのプロペラ近くの水に泡を作るのと同じプロセスです。 脳内のキャビテーションの理論は新しいものではなく、キャビテーションが起こるという確固たる証拠がありますが、細胞損傷の原因としてそれを明らかにする正しい観察結果はまだありません。
理論によれば、爆風が兵士の近くで発生すると、衝撃波が頭蓋骨を通過し、脳を取り囲み浸透する液体に低圧力の小さな領域を作成します。 一部の地域の圧力が十分に低くなると、小さなスペースまたは空洞が開きます。 ほんの数秒後に、低密度領域が崩壊します。
空洞は完全に球形ではないため、長軸に沿って崩壊し、近くの細胞は空洞内で押しつぶされるか、端から高密度の流体が飛び散ります。 そのような出来事が細胞にダメージを与えて殺すことは明らかなように思えますが、そのダメージがどのように見えるかは明らかではありません。
このビデオは、ゲルで成長したニューロンにレーザーが発射される様子を示しており、爆発の犠牲者に脳の損傷を引き起こす可能性のある衝撃波誘導キャビテーションを再現しています。 （ジョン・エストラダ、クリスチャン・フランク/ブラウン大学）それが、フランクが彼の研究室で育てた脳細胞の映画を作り、今週、ボストンで開催されたアメリカ物理学会の流体力学部門の第68回年次総会で彼の発見を発表した理由です。 爆発によるキャビテーションをシミュレートするために、彼は細胞塊にレーザービームを照射しました。 短いレーザーショットは、細胞マトリックスを一緒に保持するゲルのビットを加熱し、空洞を作成しました。
彼は、顕微鏡と回折格子に結合された白色LEDを使用して、2つの異なる視点から画像を生成し、レーザーブラストされた細胞を繰り返しスキャンしました。 各スナップショットは、2つの画像を使用して細胞の3D画像を作成し、一種の3Dムービーを生成します。 その後、フランクは細胞を1日監視して、細胞が何をしたか、細胞が死んだかどうかを確認しました。
この実験では、キャビテーションによる細胞損傷の明確な兆候が示されました。 しかし、それは最初の一歩に過ぎません。脳の内部は均一ではないため、キャビテーションの実際の影響を計算することは困難です。 さらに、関連する流体はかなり複雑であるため、爆発波の影響をモデル化することは困難です。現在、準定年退職したAdvanced Technology and Research CorporationのエンジニアであるJacques Goeller氏は述べています。 彼は、爆風中のキャビテーションの間接的な証拠を提供する衝撃波の経路に死体の頭を置くことを実験しました。
しかし、別の複雑な要因は、頭蓋骨が特定の周波数で振動することです。これは、頭蓋骨が変形してキャビテーションを引き起こす度合いに影響する可能性があります。 「頭蓋骨は振動しているため、別の一連の泡を引き起こす可能性があります」とGoeller氏は言います。
明るい面では、フランクの実験では、気泡のサイズと位置、およびゲルの特性を制御できます。 これは、将来の研究で同じ設定を使用して、考えられる複数のシナリオをテストできることを意味します。
これらの実験室の細胞が受ける損傷は、脳震盪の被害者からの実際の脳と比較して、何が起こっているのかをよりよく把握することができます。 それにより、治療法と診断法の開発が容易になります。
しかし、フランクは、爆風が脳にどのように影響するかを研究者が確実に知る前に、まだいくつかの方法があることに同意します。 「まだ進行中の作業がたくさんあります」と彼は言った。 「私たちはこれをほぼ半分終えています。」
