Veteran sjömän vet att oseriösa vågor plötsligt kan stiga i mitten av havet för att kantra även de största fartygen. Nu verkar det som om ett liknande fenomen som kallas skjuvchockvåg uppträder i den hjärnskakade hjärnan. Det kan hjälpa till att förklara varför vissa slag i huvudet orsakar så mycket mer skada än andra.

"Vi har för första gången observerat detta specifika vågfenomen i hjärnan, och vi tror att det kan vara en primär mekanism för nervskada vid många typer av huvudtrauma, "säger Gianmarco Pinton, Doktorsexamen, en biträdande professor vid Joint UNC-NC State Department of Biomedical Engineering. Pinton, forskningsassistent professor David Espindola, Doktorsexamen, och forskningstekniker Stephen Lee beskrev sina observationer i en artikel publicerad i Fysisk granskning tillämpad .

För några år, Pinton har försökt utveckla bättre ultraljudsteknik för att spåra skjuvvågor i levande vävnad. Han har fokuserat på studier av slaginducerade skjuvvågor, som stöter vävnad med relativt långsam, krafter från sida till sida, i kontrast till de bättre studerade kompressionsvågorna som färdas i slagriktningen med ljudets hastighet.

Ultraljudsavbildningsteknik är redan tillgänglig för att spåra skjuvvågor i vävnad men bara relativt små och svaga. Pinton och kollegor, med hjälp av de senaste framstegen inom en teknik som kallas ultraljudselastografi, utvecklat en ultraljudsavbildningsenhet och databehandlingsalgoritmer för att spåra de större, kraftfullare skjuvvågor som de och andra forskare misstänker orsaka vävnadsskador efter huvudskador.

För denna studie, UNC -forskare använde hjärnan hos grisar, som tidigare avlivats under olika labbförsök någon annanstans. Pintons team fann att påverkan resulterade i skjuvvågor som ibland hopade sig och intensifierades djupt i hjärnvävnaden för att bilda kortlivade chockvågor. Även om chockvågorna inte varade länge, de levererade nästan tio gånger den vävnadsrivande accelerationen som ses i den första skjuvvågen.

"Det var förvånande för oss att denna förstärkning av vågaccelerationen var så stark, men det var väldigt tydligt, "Sade Pinton." Och det är också klart att vi borde titta på dessa korta chockvågor som en potentiell källa till hjärnskador. Till exempel, neuroner som utsätts för en 40 g vågfront kan vara bra. Men en 400 g våg kan förstöra neuroner. "

"G" står för gravitation. Och "g-kraft" representerar en förändring i ett objekts hastighet. När du slår någon på ryggen, det är ungefär 4g eller 5g. När du hoppar tre meter i luften och landar med benen stela, det är ungefär 100g. Men i det hoppet, din hjärna tar inte emot kraften.

Viktigt, hjärnan är inte fäst vid skallen. Så, under en bilkollision eller en stor fotbollshit, hjärnan accelererar extremt snabbt när den slår mot skallen, orsakar vågor att sprida sig i hela hjärnan. Detta kan leda till skada och hjärnskakning. Man har allmänt trott att hjärnskakningar beror på effekter på cirka 90 g till 100 g. Men mätningar på huvudet av huvudpåverkan utmanar detta antagande. Andra forskare vid UNC-Chapel Hill har studerat hundratusentals huvudpåverkan under fotbollsträning och spel. Endast ett fåtal av spelarna som upplevde 85g fick hjärnskakning. Men vissa spelare drabbades av hjärnskakningar vid bara 60 g. Varför?

"Vi tror att skjuvchockvågor kan förklara just detta pussel, "Sade Pinton." Det är lättare att bilda dessa vågor i hjärnan med lågfrekventa effekter - effekter som upprätthålls under längre perioder. Skillnader i effekterna av effekterna kan således förklara de stora skillnaderna i kliniska resultat. "

Pinton sa att skjuvchockvågor kan hjälpa till att förklara andra mystiska skademönster i fall av huvudskada. Starka hjärnskakningar, till exempel, orsakar ofta diffus axonal skada, ett till synes slumpmässigt mönster av fläckar i hela hjärnan där neurala ledningar har rivits.

"Hjärnan har en komplicerad geometri, och du kan föreställa dig en oorganiserad våg som sprider sig genom den så att dessa stötvågor på vissa platser utvecklas och avtar, efterlämnar skador i detta annars oförklarliga mönster, Sa Pinton.

Han noterar att när skjuvchockvågor reflekterar från skallen eller strukturer i hjärnan, de kan ge upphov till ännu mer intensiva accelerationszoner i närheten. Tänkbart, som kan förklara andra huvudskadorelaterade fynd, såsom det distinkta mönstret för tauproteinavlagringar i fall av kronisk traumatisk encefalopati (CTE).

Nästa steg för Pinton och hans team är att försöka ansluta fysiken för skjuvchockvågor till faktiska kliniska skador. Forskarna arbetar nu med en större forskargrupp vid UNC, som har satt accelerationsmätinstrument i hjälmarna för UNC-fotbollsspelare. När spelare uppvisar höga g -effekter och visar hjärnskakningssymtom, Pinton och medarbetare utvärderar sina MR -undersökningar.

"Vi försöker simulera hur skjuvchockvågorna bildades i idrottarens hjärna, för att se om vi kan hitta ett sätt att förutsäga när dessa effekter kommer att orsaka verklig skada, " han säger.