Veteraan zeilers weten dat schurkengolven plotseling in het midden van de oceaan kunnen stijgen om zelfs de grootste schepen te laten kapseizen. Nu blijkt dat een soortgelijk fenomeen genaamd shear shock wave optreedt in de hersenschudding. Het kan helpen verklaren waarom sommige stoten op het hoofd zoveel meer schade aanrichten dan andere.

"We hebben voor het eerst dit specifieke golffenomeen in de hersenen waargenomen, en we denken dat het een primair mechanisme kan zijn van neuraal letsel bij veel soorten hoofdtrauma, " zegt Gianmarco Pinton, doctoraat, een assistent-professor in de Joint UNC-NC State Department of Biomedical Engineering. Pinton, onderzoeksassistent professor David Espindola, doctoraat, en onderzoekstechnicus Stephen Lee beschreven hun observaties in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepast .

Voor meerdere jaren, Pinton heeft geprobeerd betere ultrasone beeldvormingstechnieken te ontwikkelen voor het volgen van schuifgolven in levend weefsel. Hij heeft zich gericht op de studie van door impact veroorzaakte schuifgolven, die weefsel verdringen met relatief langzaam, zijwaartse krachten, in tegenstelling tot de beter bestudeerde compressiegolven die zich met de snelheid van het geluid in de richting van de botsing voortplanten.

Ultrasone beeldvormingstechnologie is al beschikbaar voor het volgen van schuifgolven in weefsel, maar alleen relatief kleine en zwakke. Pinton en collega's, met behulp van recente ontwikkelingen in een technologie die ultrasone elastografie wordt genoemd, ontwikkelde een apparaat voor echografie en gegevensverwerkingsalgoritmen om de grotere, krachtigere schuifgolven waarvan zij en andere onderzoekers vermoeden dat ze weefselschade veroorzaken na hoofdletsel.

Voor deze studie is UNC-wetenschappers gebruikten de hersenen van varkens, die eerder waren geëuthanaseerd tijdens verschillende laboratoriumexperimenten elders. Het team van Pinton ontdekte dat schokken resulteerden in schuifgolven die zich soms ophoopten en diep in het hersenweefsel intensiveerden om kortstondige schokgolven te vormen. Hoewel de schokgolven niet lang duurden, ze leverden bijna tien keer de weefselscheurende versnelling die werd gezien in de eerste afschuifgolf.

"Het was verrassend voor ons dat deze versterking van de golfversnelling zo sterk was, maar het was heel duidelijk ' zei Pinton. 'En het is ook duidelijk dat we deze korte schokgolven moeten onderzoeken als een mogelijke bron van hersenbeschadiging. Bijvoorbeeld, neuronen die worden blootgesteld aan een golffront van 40 g kunnen in orde zijn. Maar een golf van 400 g kan neuronen vernietigen."

"G" staat voor zwaartekracht. En "g-kracht" vertegenwoordigt een verandering in de snelheid van een object. Als je iemand op de rug slaat, dat is ongeveer 4g of 5g. Als je een meter in de lucht springt en landt met je benen stijf, dat is ongeveer 100 gram. Maar in die sprong, je hersenen ontvangen de kracht niet.

belangrijk, de hersenen zitten niet vast aan de schedel. Dus, tijdens een auto-botsing of een grote voetbalhit, de hersenen versnellen extreem snel als het tegen de schedel slaat, waardoor golven zich door de hersenen voortplanten. Dit kan leiden tot verwondingen en hersenschudding. Er wordt algemeen aangenomen dat hersenschuddingen het gevolg zijn van schokken van ongeveer 90 g tot 100 g. Maar metingen op het veld van botsingen met het hoofd dagen deze veronderstelling uit. Andere onderzoekers van UNC-Chapel Hill hebben honderdduizenden hoofdinslagen bestudeerd tijdens voetbaltrainingen en -wedstrijden. Slechts een paar van de spelers die 85g ervaarden, hadden een hersenschudding. Maar sommige spelers liepen hersenschudding op bij slechts 60 gram. Waarom?

"We denken dat shear-schokgolven deze specifieke puzzel kunnen verklaren, " Zei Pinton. "Het is gemakkelijker om deze golven in de hersenen te vormen met laagfrequente effecten - effecten die gedurende langere perioden aanhouden. Verschillen in de frequenties van de effecten zouden dus de grote verschillen in klinische uitkomsten kunnen verklaren."

Pinton zei dat afschuifschokgolven andere mysterieuze patronen van schade in gevallen van hoofdletsel kunnen helpen verklaren. Sterke hersenschudding, bijvoorbeeld, veroorzaken vaak diffuus axonaal letsel, een schijnbaar willekeurig patroon van plekken in de hersenen waar neurale bedrading is gescheurd.

"De hersenen hebben een gecompliceerde geometrie, en je kunt je een ongeorganiseerde golf voorstellen die zich erdoorheen voortplant, zodat op bepaalde plaatsen deze schokgolven zich ontwikkelen en verdwijnen, schade achterlatend in dit anders onverklaarbare patroon, ' zei Pinton.

Hij merkt op dat wanneer afschuifschokgolven weerkaatsen op de schedel of structuren in de hersenen, ze kunnen aanleiding geven tot nog intensere versnellingszones in de buurt. mogelijk, dat zou andere bevindingen met betrekking tot hoofdletsel kunnen verklaren, zoals het kenmerkende patroon van tau-eiwitafzettingen in gevallen van chronische traumatische encefalopathie (CTE).

De volgende stap voor Pinton en zijn team is om te proberen de fysica van shear-schokgolven in verband te brengen met daadwerkelijke klinische verwondingen. De onderzoekers werken nu samen met een grotere onderzoeksgroep bij UNC, die versnellingsmeetinstrumenten in de helmen van UNC-voetballers heeft gestopt. Wanneer spelers hoge g-impacts hebben en hersenschuddingsymptomen vertonen, Pinton en medewerkers evalueren hun MRI's.

"We proberen te simuleren hoe de shear-schokgolven zich vormden in de hersenen van de atleet, om te zien of we een manier kunnen vinden om te voorspellen wanneer deze effecten echte schade zullen veroorzaken, " hij zegt.