Исследователи показали, как силы, действующие на мозг во время травмы, связаны с повреждениями, наблюдаемыми спустя годы после первоначальной травмы.
Результаты, полученные от междисциплинарной команды Имперского колледжа Лондона, можно использовать для прогнозирования тяжести травм головного мозга и помощи в разработке более эффективных шлемов для различных видов спорта и занятий.
Травматическая черепно-мозговая травма (ЧМТ) возникает в результате внезапного удара или удара головой, например, во время дорожно-транспортного происшествия или взрыва бомбы, или во время занятий такими видами спорта, как регби и американский футбол. Непосредственные последствия ЧМТ могут включать кровотечение и потерю сознания, но также могут приводить к изменениям в областях мозга, которые приводят к таким симптомам, как потеря памяти, изменения настроения и личности, а также отсутствие концентрации, иногда через много лет после первоначальной травмы.
Однако связь между механическими силами, которые действуют на мозг во время ЧМТ, и возникающими в результате долгосрочными изменениями плохо изучена.
Теперь исследователи с инженерных и медицинских факультетов Imperial, включая команды доктора. Маздак Гаджари, профессор Дэвид Шарп и доктор. Магдалена Састре показала четкую связь между силами, действующими на мозг во время ЧМТ, и связанными с ней долгосрочными изменениями. В исследовании, опубликованном в Brain, вычислительная модель черепно-мозговой травмы сочетается с экспериментальными исследованиями мозга крыс.
Доктор. Маздак Гаджари из Школы проектирования Дайсона в Imperial сказал: "Первоначальное повреждение во время черепно-мозговой травмы происходит всего за миллисекунды, но оно вызывает множество изменений, которые приводят к постоянным эффектам, которые можно почувствовать спустя годы. Понимание связи между ними имеет решающее значение для прогнозирования того, кто подвергается риску долгосрочного ущерба, и как лучше спроектировать защиту для предотвращения этого ущерба."
Ранее команда построила компьютерную модель человека, чтобы предсказать место долгосрочного повреждения мозга после ЧМТ, сосредоточив внимание на «белом веществе» мозга. Белое вещество содержит нервные волокна, называемые аксонами: отростки нейронов, которые помогают соединять их. Аксоны играют большую роль в сетях мозга, которые изменяются при длительном повреждении головного мозга.
Теперь они протестировали этот подход к моделированию, чтобы увидеть, может ли он точно предсказать характер повреждения белого вещества у крыс с легкой или умеренной ЧМТ. Они смоделировали мозг крысы во время травмы, выявив местоположение и продолжительность действия механических сил, связанных с повреждением. Используя точную экспериментальную модель, это повреждение было вызвано в головном мозге крысы и продолжено через несколько недель, что коррелирует с годами изменений в человеческом мозге.
Они обнаружили, что влияние сдвиговых напряжений на белое вещество помогло предсказать местоположение долгосрочного повреждения. Напряжения сдвига толкают две части одного и того же объекта, в данном случае мозг, в разных направлениях.
Доктор. Магдалена Састре из отдела наук о мозге Imperial сказала: "Напряжение сдвига в мозге коррелирует с маркерами воспаления мозга, которое связано с потерей памяти и другими будущими функциональными когнитивными изменениями."
Мозг имеет желеобразную консистенцию, поэтому при толчке он аналогичным образом трясется, вызывая сдвиг между соседними частями. Интенсивность сдвига в разных местах, вызванного разными ударами, например под каким углом они происходят, предсказывает, где произойдет наиболее серьезное повреждение белого вещества. Это потенциально может помочь врачам предсказать вероятные долгосрочные последствия у пациентов, перенесших ЧМТ.
Доктор. Гаджари сказал: "Различные типы травм вызывают разный сдвиг. С помощью этой новой модели мы теперь можем более точно предсказать, какие травмы приведут к серьезным и долгосрочным повреждениям, и потенциально предотвратить их. Например, аварии на мотоцикле связаны с большим вращательным движением, которое вызывает сильное срезание. Мы изучаем десятки велосипедных шлемов, чтобы узнать, какие из них лучше всего защищают от чрезмерного вращения."
Теперь вычислительная модель команды проверена на мозге реальных крыс, и они могут использовать ее, чтобы задавать ряд исследовательских вопросов, моделируя различные виды ЧМТ.
Профессор Дэвид Шарп, также из Департамента наук о мозге, добавил: "Мы также изучаем, как тип ударов, которым подвергаются игроки в американский футбол, влияет на то, теряют ли они сознание, и могут ли новые конструкции шлемов защитить солдат от воздействия взрывных волн после взрывов. Эти типы исследований также могут помочь объяснить, могут ли повторяющиеся небольшие удары, такие как удар головой в футболе, привести к аналогичной долгосрочной травме головного мозга."
Исследование является результатом длительного сотрудничества инженеров, медиков и биологов компании Imperial, партнерства Dr. Гаджари описывает как "требует много терпения и энергии, но дает чрезвычайно полезные результаты."