Kemajuan dalam desain pelindung tubuh dan helm berarti bahwa lebih banyak tentara akan selamat karena dekat dengan ledakan dari bom pinggir jalan atau tembakan musuh. Tetapi banyak orang kembali dari medan perang dengan cedera otak yang tidak segera terlihat dan sulit dideteksi bahkan dengan pemindaian tingkat lanjut. Masalahnya adalah tidak jelas apa yang dilakukan gelombang ledakan ke otak.
Konten terkait
- Bagaimana Ikan Transparan Dapat Membantu Menguraikan Otak
- Sirkuit Fleksibel Telah Disuntikkan Ke Otak Hidup
Christian Franck, seorang asisten profesor teknik di Brown University, sedang mencoba mengubahnya dengan mencitrakan kelompok kecil sel-sel otak dalam 3D dan mengambil film-film neuron yang terkena guncangan kecil. Idenya adalah untuk melihat secara tepat bagaimana sel-sel otak individu berubah bentuk dan bereaksi dalam beberapa jam setelah trauma.
Sekitar 25.000 prajurit dan wanita menderita cedera otak traumatis pada tahun 2014, menurut Departemen Pertahanan AS. Hanya 303 dari luka-luka itu "menembus", atau jenis luka yang terlihat jelas. Sisanya berasal dari berbagai bentuk gegar otak yang disebabkan oleh peristiwa seperti bahan peledak, jatuh dan kecelakaan kendaraan.
Sebagian besar dari luka-luka itu — sekitar 21.000 — dianggap ringan, yang berarti orang itu bingung, kehilangan arah, atau kehilangan ingatan kurang dari 24 jam atau tidak sadar selama 30 menit atau kurang. Pasien seperti itu biasanya tidak mendapatkan scan otak, dan jika mereka melakukannya, gambar-gambar tersebut pada umumnya terlihat normal.
Itu masalah, kata Franck, karena masalah psikologis yang timbul dari cedera kepala konkusif dapat berasal dari kerusakan tingkat sel, karena otak "pulih" ketika mencoba untuk sembuh.
"Pengerjaan ulang terjadi setelah penghinaan, jadi Anda tidak menyadarinya, " kata Franck. "Kami ingin melihat pada skala seluler seberapa cepat sel-sel ini berubah bentuk. Dengan trauma tumpul kami memiliki basis data yang jauh lebih besar. Dengan ledakan, kebanyakan orang di dinas bersenjata, dan mereka mengalami kesulitan karena mereka akan suka mengakses perawatan dan mendapatkan bantuan, tetapi mereka tidak tahu untuk apa skrining. "
Percobaan sebelumnya dengan tikus telah menunjukkan kerusakan otak dari ledakan, terutama ke hippocampus, tetapi tidak melihat tingkat sel. Dan sementara penelitian sebelumnya pada manusia telah memeriksa sel-sel otak dalam kasus cedera kepala, jaringan hanya datang dari pasien yang sudah mati.
Karena kita tidak dapat mengintip ke dalam otak manusia yang hidup karena sedang gegar otak, Franck menumbuhkan sel-sel dari otak tikus pada perancah biologis di dalam zat seperti gel. Pengaturan ini memungkinkan sel untuk tumbuh dalam kelompok yang mirip dengan bagaimana mereka akan berkumpul di otak.
Sel-selnya tidak padat dan tidak melakukan semua hal yang biasanya dilakukan sel-sel otak, tetapi mereka memberikan analog kasar. Franck kemudian dapat mengekspos bundel seperti otak ini ke gelombang kejut untuk melihat apa yang terjadi.
Gelombang ledakan berbeda dari, katakanlah, dipukul di kepala dengan batu bata, karena skala waktunya jauh lebih pendek, kata Franck. Sebuah pukulan khas di kepala terjadi selama beberapa ribu detik, sedangkan gelombang ledakan hanya berlangsung selama sepersejuta detik. Selain itu, efek dari gelombang ledakan tidak memiliki titik asal tunggal yang terfokus, seperti halnya serangan fisik.
Franck bekerja dengan hipotesis bahwa gelombang kejut dari ledakan menyebabkan fenomena di otak manusia yang disebut kavitasi — proses yang sama yang membuat gelembung di air dekat baling-baling perahu. Teori kavitasi pada otak bukanlah hal baru, dan ada bukti kuat bahwa kavitasi terjadi, tetapi kami belum memiliki pengamatan yang tepat untuk memastikannya sebagai penyebab kerusakan sel.
Menurut teori tersebut, ketika sebuah ledakan terjadi di dekat seorang prajurit, gelombang kejut bergerak melalui tengkorak dan menciptakan daerah kecil tekanan rendah dalam cairan yang mengelilingi dan menembus otak. Ketika tekanan di beberapa daerah cukup rendah, ruang kecil atau rongga terbuka. Sepersekian detik kemudian, wilayah kepadatan rendah runtuh.
Karena rongga-rongga itu tidak bulat sempurna, mereka runtuh di sepanjang kapak panjang mereka, dan setiap sel di dekatnya akan hancur di dalam rongga atau tertabrak oleh ledakan cairan kepadatan tinggi yang ditembakkan dari ujungnya. Tampaknya jelas bahwa peristiwa seperti itu akan merusak dan membunuh sel, tetapi jauh dari jelas seperti apa kerusakan itu.
Video ini menunjukkan laser yang ditembakkan ke neuron yang tumbuh dalam gel, menciptakan kembali kavitasi yang diinduksi gelombang kejut yang dapat menyebabkan kerusakan otak pada korban ledakan. (Jon Estrada, Christian Franck / Brown University)Itulah sebabnya Franck membuat film dari sel-sel otaknya yang ditumbuhkan di laboratorium dan mempresentasikan temuannya minggu ini pada pertemuan tahunan ke-68 Divisi Fluid Dynamics American Physical Society di Boston. Untuk mensimulasikan kavitasi dari ledakan, ia menembakkan sinar laser ke rumpun seluler. Tembakan laser singkat memanaskan potongan gel yang menyatukan matriks sel, menciptakan rongga.
Dia menggunakan LED putih digabungkan ke mikroskop dan kisi difraksi, yang menghasilkan gambar dari dua perspektif yang berbeda untuk memindai sel-sel laser-blasted berulang kali. Setiap snapshot membuat gambar 3D sel menggunakan dua gambar untuk menghasilkan semacam film 3D. Franck kemudian mengawasi sel selama sehari untuk melihat apa yang mereka lakukan dan jika mereka mati.
Percobaan menunjukkan indikasi yang jelas kerusakan sel akibat kavitasi. Tapi itu hanya langkah pertama: Bagian dalam otak tidak seragam, yang membuat menghitung dampak sebenarnya dari kavitasi menjadi sulit. Selain itu, memodelkan efek gelombang ledakan itu sulit, karena fluida yang terlibat cukup kompleks, kata Jacques Goeller, seorang insinyur di Advanced Technology and Research Corporation yang sekarang setengah pensiun. Dia bereksperimen dengan meletakkan kepala mayat di jalur gelombang kejut, yang memberikan bukti tidak langsung untuk kavitasi selama ledakan.
Tetapi faktor rumit lainnya adalah tengkorak bergetar pada frekuensi tertentu, yang dapat memengaruhi seberapa banyak mereka berubah bentuk dan memicu kavitasi. "Saat tengkorak bergetar, itu dapat menyebabkan serangkaian gelembung lainnya, " kata Goeller.
Sisi baiknya, dalam percobaan Franck adalah mungkin untuk mengontrol ukuran gelembung dan posisi mereka, serta sifat-sifat gel. Itu berarti penelitian di masa depan dapat menggunakan pengaturan yang sama untuk menguji beberapa skenario yang mungkin.
Cedera yang diderita sel-sel lab ini kemudian dapat dibandingkan dengan otak nyata dari korban gegar otak untuk mendapatkan gambaran yang lebih baik tentang apa yang terjadi. Itu akan membuatnya lebih mudah untuk mengembangkan perawatan dan diagnosa.
Franck setuju, bahwa masih ada cara untuk pergi sebelum para peneliti tahu pasti bagaimana ledakan mempengaruhi otak. "Masih banyak pekerjaan yang masih berlangsung, " katanya. "Kita hampir setengah jalan dalam hal ini."
