I marinai veterani sanno che le onde anomale possono sollevarsi improvvisamente in mezzo all'oceano per capovolgere anche le navi più grandi. Ora sembra che un fenomeno simile chiamato onda d'urto di taglio si verifichi nel cervello con commozione cerebrale. Può aiutare a spiegare perché alcuni colpi alla testa causano molto più danno di altri.

"Abbiamo osservato per la prima volta questo particolare fenomeno ondulatorio nel cervello, e pensiamo che potrebbe essere un meccanismo primario di danno neurale in molti tipi di trauma cranico, "dice Gianmarco Pinton, dottorato di ricerca, un assistente professore presso il Dipartimento di stato congiunto UNC-NC di ingegneria biomedica. Pinton, professore assistente di ricerca David Espindola, dottorato di ricerca, e il tecnico di ricerca Stephen Lee hanno descritto le loro osservazioni in un articolo pubblicato su Revisione fisica applicata .

Per molti anni, Pinton ha cercato di sviluppare migliori tecniche di imaging a ultrasuoni per tracciare le onde di taglio nei tessuti viventi. Si è concentrato sullo studio delle onde di taglio indotte dall'impatto, che spingono i tessuti con relativamente lentezza, forze laterali, in contrasto con le onde di compressione meglio studiate che viaggiano nella direzione dell'impatto alla velocità del suono.

La tecnologia di imaging a ultrasuoni è già disponibile per tracciare le onde di taglio nei tessuti, ma solo quelle relativamente piccole e deboli. Pinton e colleghi, con l'aiuto dei recenti progressi in una tecnologia chiamata elastografia a ultrasuoni, ha sviluppato un dispositivo di imaging a ultrasuoni e algoritmi di elaborazione dei dati per tracciare il più grande, onde di taglio più potenti che loro e altri ricercatori sospettano causino danni ai tessuti dopo lesioni alla testa.

Per questo studio, Gli scienziati dell'UNC hanno usato il cervello dei maiali, che era stata precedentemente soppressa durante diversi esperimenti di laboratorio altrove. Il team di Pinton ha scoperto che gli impatti provocavano onde di taglio che a volte si raggruppavano e si intensificavano in profondità all'interno del tessuto cerebrale per formare onde d'urto di breve durata. Anche se le onde d'urto non sono durate a lungo, hanno fornito quasi dieci volte l'accelerazione di strappo del tessuto vista nell'onda di taglio iniziale.

"Era sorprendente per noi che questa amplificazione dell'accelerazione dell'onda fosse così forte, ma era molto chiaro, " ha detto Pinton. " Ed è anche chiaro che dovremmo esaminare queste onde d'urto corte come una potenziale fonte di danni cerebrali. Ad esempio, i neuroni sottoposti a un fronte d'onda di 40 g potrebbero andare bene. Ma un'onda di 400 g potrebbe distruggere i neuroni".

"G" sta per gravità. E "g-force" rappresenta un cambiamento nella velocità di un oggetto. Quando dai uno schiaffo sulla schiena a qualcuno, sono circa 4g o 5g. Quando fai un salto di tre piedi in aria e atterri con le gambe rigide, sono circa 100 g. Ma in quel salto, il tuo cervello non riceve la forza.

È importante sottolineare che il cervello non è attaccato al cranio. Così, durante un incidente d'auto o una grande partita di calcio, il cervello accelera estremamente velocemente mentre sbatte contro il cranio, causando la propagazione delle onde in tutto il cervello. Questo può portare a lesioni e commozioni cerebrali. È stato generalmente pensato che le commozioni cerebrali derivino da impatti da circa 90 g a 100 g. Ma le misurazioni sul campo degli impatti alla testa mettono in dubbio questa ipotesi. Altri ricercatori dell'UNC-Chapel Hill hanno studiato centinaia di migliaia di impatti alla testa durante gli allenamenti e le partite di calcio. Solo alcuni dei giocatori che hanno sperimentato 85 g sono stati colpiti da commozione cerebrale. Ma alcuni giocatori hanno subito commozioni cerebrali a soli 60 g. Come mai?

"Pensiamo che le onde d'urto di taglio potrebbero spiegare questo particolare enigma, " ha detto Pinton. "È più facile formare queste onde nel cervello con impatti a bassa frequenza - impatti che sono sostenuti per periodi più lunghi. Le differenze nelle frequenze degli impatti potrebbero quindi spiegare le grandi differenze nei risultati clinici".

Pinton ha affermato che le onde d'urto di taglio potrebbero aiutare a spiegare altri misteriosi modelli di danno nei casi di trauma cranico. Forti commozioni cerebrali, Per esempio, spesso causano danno assonale diffuso, uno schema apparentemente casuale di punti in tutto il cervello in cui il cablaggio neurale è stato strappato.

"Il cervello ha una geometria complicata, e puoi immaginare un'onda disorganizzata che si propaga attraverso di essa in modo che in certi punti queste onde d'urto si sviluppino e diminuiscano, lasciandosi alle spalle danni in questo schema altrimenti inesplicabile, " ha detto Pinton.

Nota che quando le onde d'urto di taglio si riflettono sul cranio o sulle strutture all'interno del cervello, possono dare origine a zone di accelerazione ancora più intense nelle vicinanze. plausibilmente, ciò potrebbe spiegare altri reperti correlati al trauma cranico come il modello distintivo dei depositi di proteina tau nei casi di encefalopatia traumatica cronica (CTE).

Il prossimo passo per Pinton e il suo team è provare a collegare la fisica delle onde d'urto di taglio alle lesioni cliniche reali. I ricercatori stanno ora lavorando con un gruppo di ricerca più ampio presso l'UNC, che ha messo strumenti di misurazione dell'accelerazione nei caschi dei giocatori di calcio UNC. Quando i giocatori subiscono impatti ad alta g e mostrano sintomi di commozione cerebrale, Pinton e collaboratori valutano le loro risonanze magnetiche.

"Stiamo cercando di simulare come si sono formate le onde d'urto di taglio nel cervello dell'atleta, per vedere se possiamo trovare un modo per prevedere quando questi impatti causeranno danni reali, " lui dice.