Seit Beginn der kriegerischen Auseinandersetzungen im Irak und in Afghanistan, haben mehr als 300.000 Soldaten in die Vereinigten Staaten mit zurück Schädelhirntrauma aufgrund der Exposition verursacht zu Bombenanschlägen - und insbesondere , die Exposition gegen improvisierte Sprengsätze oder IEDs . Die Symptome der traumatischen Hirnverletzungen können von der milden reichen , wie anhalt Kopfschmerzen und Übelkeit, zu schweren Beeinträchtigungen in Gedächtnis und Erkenntnis .
Seit 2007 ist das US-Verteidigungsministerium die entscheidende Bedeutung und Komplexität dieses Problems anerkannt und hat erhebliche Investitionen in traumatischen Hirnverletzungen Forschung. Dennoch bleiben viele Lücken in Verständnis der Auswirkungen von Explosionen auf das menschliche Gehirn Wissenschaftler ; die meisten neuen Erkenntnisse aus Tierversuchen zu kommen.
Jetzt MIT -Forscher haben ein Skalierungsgesetz , das eines Menschen Gefahr einer Hirnverletzung prognostiziert entwickelt , basierend auf früheren Studien mit Blasten " Auswirkungen auf die Tier Gehirn . Das Verfahren kann helfen, das Militär entwickeln Schutzhelme, sowie Beihilfen Kliniker bei der Diagnose von traumatischen Hirnverletzungen - oft als die "unsichtbaren Wunden " des Kampfes bezeichnet.
" Wir sind wirklich mit Schwerpunkt auf milden traumatischen Hirnverletzungen , wo wir wissen, dass die am wenigsten , aber das Problem ist die größte ", sagt Raul Radovitzky , Professor für Luft- und Raumfahrt und stellvertretender Direktor des MIT- Institut für Soldaten Nanotechnologies ( ISN) . "Es bleibt oft unentdeckt . Und es gibt breite Übereinstimmung darüber, dass dies eindeutig ein großes Problem . "
Während frühere Skalierungsgesetze vorausgesagt , dass die Menschen die Gehirne wären weniger anfällig für Explosionen , als Tiere , Radovitzky Team fand das Gegenteil: dass in der Tat, sind die Menschen viel anfälliger , da sie dünner Schädel , viel größere Gehirne zu schützen.
Eine Gruppe von Forschern ISN von Aurélie Jean, Postdoc in Radovitzky Gruppe führte , entwickelte Simulationen von Mensch, Schwein und Ratte Köpfe und jede zu Explosionen unterschiedlicher Intensität ausgesetzt . Ihre Simulationen vorhergesagt, die Auswirkungen der Explosionen " Schockwellen , wie sie durch den Schädel und Gehirne von jeder Spezies vermehrt. Auf der Basis der daraus resultierenden Unterschiede in der Hirndruck, entwickelte das Team eine Gleichung oder Skalierungsgesetz , um das Risiko von Hirnverletzung für die einzelnen Arten zu schätzen.
" Das Tolle an , dies zu tun auf dem Computer ist, dass es erlaubt Ihnen, schließlich zu reduzieren und möglicherweise zu beseitigen Tierversuche ", sagt Radovitzky .
Das MIT-Team und Co-Autor James Q. Zheng, Chief Scientist bei Soldaten Schutz der US-Armee und individuelle Geräteprogramm , ausführlich ihre Ergebnisse in dieser Woche in den Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Air ( durch die ) Kopf
Eine Druckwelle ist die Schockwelle , oder an der Wand von Druckluft, die sich nach außen vom Epizentrum der Explosion stürzt . Abgesehen von der physischen Folgen der Bombensplitter und andere chemische Elemente, kann allein die Druckwelle schwere Verletzungen an der Lunge und Gehirn verursachen. Im Gehirn kann eine Schockwelle durch weiches Gewebe zuschlagen , mit potenziell verheerenden Auswirkungen .
Im Jahr 2010 Radovitzky Gruppe , die im Konzert mit der Verteidigung und Veterans Brain Injury Center, einen Teil der US-Militärgesundheitssystem, entwickelt eine hoch entwickelte , bildbasierten Rechenmodell des menschlichen Kopfes , die die Art und Weise , in der Druckluft bewegt sich zeigt durch seine Weichteile. Bei diesem Modell haben die Forscher gezeigt , wie die Energie von einer Druckwelle erreichen das Gehirn durch Öffnungen wie die Augen und Nasennebenhöhlen - und auch, wie für das Gesicht mit einer Maske können solche Verletzungen zu vermeiden. Seitdem hat das Team ähnliche Modelle für Schweine und Ratten entwickelt , der Erfassung der mechanischen Reaktion des Hirngewebes , um Schockwellen .
In ihrer aktuellen Arbeit , die Forscher berechnet, die Anfälligkeit der einzelnen Arten zu Hirnverletzung durch die Schaffung einer mathematischen Beziehung zwischen Eigenschaften der Schädel , Gehirn, und die umliegenden Fleisch und die Ausbreitung von eingehenden Schockwellen . Die Gruppe betrachtet jeder GehirnstrukturVolumen , Dichte und Geschwindigkeit - wie schnell Stress Wellen breiten sich durch ein Gewebe . Sie simuliert dann der Reaktion des Gehirns auf Blasten unterschiedlicher Intensität .
" Was die Simulation können Sie tun müssen, ist , was passiert, außerhalb , die gleich über Art ist , und schauen, wie stark war die Wirkung der Explosion im Inneren des Gehirns ", sagt Jean .
Im Allgemeinen fanden sie, dass Schädel eines Tieres und andere fleischigen Strukturen wirken als Schutzschild , Abstumpfen der Wirkungen von Druckwellen : Je dicker diese Strukturen sind , desto weniger anfällig ein Tier für Verletzungen. Im Vergleich zu den prominenteren Schädel von Ratten und Schweinen, erhöht dünneren Schädel eines Menschen das Risiko für Schädelhirntrauma .
Eine Verschiebung des Problems
Dieser Befund steht im Widerspruch zu früheren Theorien, die entschieden, dass Schwachstellen eines Tieres zu Explosionen , hängt von seiner Gesamtmasse , aber die die Rolle der Schutz physischen Strukturen ignoriert. Nach diesen Theorien , Menschen , da mehr Masse als Schweine oder Ratten , würde gegen Druckwellen besser geschützt werden.
Radovitzky sagt diese Argumentation ergibt sich aus Studien über "Blast Lunge" - Explosion -induzierten Verletzungen wie Reißen, Blutungen und Schwellungen der Lunge, wo es war , dass Massen Fragen gefunden: Je größer ein Tier ist, desto widerstandsfähiger kann es sein Lungenschäden . Durch solche Untersuchungen informiert hat das Militär seit Kugelschutzwesten , die drastisch verringert haben die Zahl der Blast induzierten Lungenverletzungen in den letzten Jahren entwickelt .
"Es gibt im wesentlichen in den letzten 10 Jahren im Irak oder in Afghanistan keine berichteten Fälle von Lungenhoch" Radovitzky Noten. " Jetzt haben wir das Problem , um traumatische Hirnverletzung verschoben . "
In Zusammenarbeit mit der Armee Kollegen Radovitzky und seine Gruppe sind die Durchführung der Grundlagenforschung , um die Armee zu entwickeln Helme, die Soldaten besser schützen. Zu diesem Zweck wird der Team Verlängerung der Simulationsansatz für diese Explosion , andere Arten von Bedrohungen verwendet .
Seine Gruppe arbeitet auch mit Audiologen am Massachusetts General Hospital , in dem die Opfer der Bombenangriffe , die Boston-Marathon für geplatzten Trommelfell behandelt.
"Sie haben eine genaue Karte von dem jedes Opfer war , bezogen auf die Explosion ", sagt Radovitzky . " Im Prinzip könnten wir das Ereignis zu simulieren, wo der Grad der Exposition von jedem dieser Opfer , steckte es in unserer Skalierungsgesetz , und wir konnten das Risiko für eine traumatische Hirnverletzung , die in einem nicht festgestellt werden kann schätzen MRI . "