Selbst die mildeste Form der ein Schädelhirntrauma , Besser bekannt als ein Gehirnerschütterung Eine permanente , irreparable Schäden umzugehen. Nun , ein interdisziplinäres Team von Forschern an der University of Pennsylvania mit Hilfe mathematischer Modelle , die Mechanismen im Spiel besser zu verstehen, in dieser Art von Verletzungen , mit einem Auge in Richtung Schutz des Gehirns aus seiner langfristigen Folgen .
Ihre jüngsten Ergebnisse in der Biophysical Journal veröffentlicht wurde, werfen ein neues Licht auf die mechanischen Eigenschaften einer kritischen Gehirn -Protein und seine Rolle in der Elastizität der Axone , die langen , ranken wie ein Teil der Gehirnzellen. Dieses Protein , wie Tau bekannt , hilft zu erklären, den scheinbaren Widerspruch diese Elastizität präsentiert . Wenn Axone sind so dehnbar, warum sie unter der Belastung einer traumatischen Hirnverletzungen zu brechen?
Tau eigenen elastischen Eigenschaften zeigen, warum schnelle Auswirkungen befassen bleibende Schäden an Strukturen innerhalb Axone bei Anwendung der gleichen Kraft langsamer bewirkt, dass sie sicher zu dehnen. Dieses Verständnis kann nun verwendet werden, um Computer-Modelle des Gehirns realistischer und kann potentiell zu tau -Erkrankungen , wie Alzheimer eingesetzt werden.
Das Team besteht aus Vivek Shenoy , Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der School of Engineering and Applied Science , Hossein Ahmadzadeh , Mitglied Shenoy Labor und Douglas Smith , Professor für Neurochirurgie in Penns Perelman School of Medicine und Direktor der Penn Center für Hirnverletzung und Reparaturen .
" Eine der wichtigsten Sachen, die Sie in den Gehirnen von Patienten, die wegen einer TBI gestorben ist Schwellungen entlang der Axone zu sehen ", sagte Shenoy . "Inside Axone sind Mikrotubuli , die wie Bahnen für den Transport von molekularen Ladung entlang des Axons zu handeln. Wenn sie zu brechen , gibt es eine Unterbrechung des Flusses dieser Ladung und es beginnt zu akkumulieren , weshalb Sie diese Schwellungen zu bekommen. "
Smith Zuvor hatten die mechanischen Eigenschaften der Axone als Ganzes. Durch Strukturieren Axone in Kultur parallel Wege, konnte Smith und seine Kollegen eine Strecke , um die Axone auf unterschiedliche Kräfte und Geschwindigkeiten gelten und messen, wie sie reagiert.
" Was wir gesehen haben ist, dass bei langsamen Laderaten, Axone kann bis zu mindestens 100 Prozent , ohne Anzeichen von Schäden zu strecken ", sagte Smith . "Aber bei höheren Geschwindigkeiten , Axone beginnen die dieselben Schwellungen Sie in der SHT-Patienten zu sehen . Dieser Prozess tritt auch bei relativ kurzen Strecke zu schnell Raten . So ist die Rate, mit der Strecke eingesetzt wird, ist die wichtigste Komponente , wie zum Beispiel bei schnellen Bewegungen auftritt des Gehirns und der Dehnung der Axone durch Kopfaufprall von einem Fall , Körperverletzung oder Autounfall . "
Diese Beobachtung immer noch nicht erklären, warum die Forscher Mikrotubuli , das steifste Teil des Axons , waren die Teile, die brechen wurden . Um dieses Rätsel zu lösen , mussten die Forscher noch tiefer in ihre Struktur vertiefen.
Mikrotubuli sind eng miteinander innerhalb Axone etwas wie ein Bündel Strohhalme verpackt . Die Bindung der einzelnen Halme zusammen ist das Protein Tau . Andere biophysikalischen Modell zuvor für die Geometrie und die elastischen Eigenschaften des Axons während einer Streck Schädigung bezogen auf Smith Arbeit berücksichtigt aber keine guten Daten zum Darstellen Rolle tau in dem Gesamtverhalten des Systems, wenn sie mit eingebunden wird Stress über unterschiedliche Zeiträume .
"Sie müssen die elastischen Eigenschaften von Tau- weiß", sagte Shenoy , "denn wenn Sie die Mikrotubuli mit Stress zu laden, als gut. Wie diese beiden Teile zu verteilen die Belastung zwischen ihnen wird zu großen Einfluss auf das System haben die Tau laden Sie insgesamt. "
Shenoy und seine Kollegen hatten ein Gefühl der elastischen Eigenschaften von Tau aber keine harten Zahlen , bis ein Versuch 2011 von einem Schweizer und deutschen Forscherteam physisch aus Längen von tau durch Zupfen mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops gestreckt.
" Dieses Experiment zeigte, dass Tau ist viskoelastischen ", sagte Shenoy . "Wie Silly Putty , wenn Sie Stress , es zu langsam , zieht es viele . Aber wenn Sie Stress , um sie schnell schreiben, bei einem Aufprall , es bricht . "
Dieses Verhalten ist, dass die Stränge des tau-Protein aufgewickeltund die sich an verschiedenen Stellen verbunden . Langsam herausgezogen , können diese Anleihen come undone , Verlängerung des Stranges ohne es .
"Der Schaden in traumatische Hirnverletzung tritt auf, wenn die Mikrotubuli dehnen aber der Tau nicht , da sie nicht so weit ausdehnen kann ", sagte Shenoy . " Wenn Sie in einer Situation, wo der Tau nicht strecken , wie das, was in schnellen Dehnraten passiert sind, dann werden alle die Belastung wird auf die Mikrotubuli zu übertragen und sie veranlassen, zu brechen. "
Mit einem umfassenden Modell des Tau- Mikrotubuli- System konnten die Forscher in der Lage, zu Gleichungen mit nur einer Handvoll von Variablen einkochen das Ergebnis der schnellen Spannungsbelastung . Diese mathematische Verständnis konnten die Forscher ein Phasendiagramm , das die Grenze zwischen Dehnungsraten , die bleibende Schäden im Vergleich zu sicheren und reversiblen Be- und Entladen von Stress lassen zeigt, zu produzieren.
" Die Vorhersage , was Art von Auswirkungen werden diese Belastungsraten führen immer noch ein kompliziertes Problem ", sagte Shenoy . "Ich könnte in der Lage , um die Wucht des Aufpralls zu messen , wenn es auf jemandes Kopf , aber diese Kraft muss dann seinen Weg nach unten , um die Axone , die auf einer Menge verschiedener Dinge abhängig zu machen.
"Du brauchst eine Mehrskalenmodell und unsere Arbeit wird ein Eingang zu diesen Modellen auf dem kleinsten Maßstab sein."
Auf längere Sicht , zu wissen, die Parameter, die zu irreversiblen Schäden führen könnte zu einem besseren Verständnis von Hirnverletzungen und Krankheiten und neue Präventionsmaßnahmen führen . Es kann sogar möglich sein, Medikamente, die Mikrotubuli Stabilität und Elastizität der Axone im traumatischen Hirnverletzungen zu ändern entwerfen ; Smiths Gruppe hat gezeigt, dass die Behandlung mit dem Mikrotubuli stabilisierendes Mittel Taxol verringert das Ausmaß der Axonschwellungen und Degeneration nach Stretch- Verletzungen .
" Interessanterweise kann es kein Zufall, dass Tau ist auch das gleiche Protein, Neurofibrillen bildet eines der Markenzeichen von Hirnerkrankungen chronisch traumatische Enzephalopathie oder CTE , die zu einer Geschichte der Gehirnerschütterungen und höhere TBI verknüpft ist ", sagte Smith. " Aufdecken der Rolle des Tau zum Zeitpunkt des Traumas kann Einblick, wie sie in der Langzeit degenerative Prozesse bereitzustellen. "