Виртуальный мозг убил себя об стену ради науки
Что происходит внутри мозга человека, когда голова ударяется о препятствие? Казалось бы, тут давно всё ясно.
Однако это не так. Американские исследователи решили подробнее изучить события, протекающие в мозге за первую миллисекунду после удара о ветровое стекло автомобиля.
Как можно узнать, какие повреждения получает головной мозг при ударе? Ответ очевиден — изучая несчастных, попавших в больницу (или морг) с повреждениями черепа, или ставя опыты на животных.
Оба метода имеют свои недостатки. И оба позволяют заметить результаты воздействия, но не дают возможности увидеть — что именно происходит в сам момент удара.
А ведь рассмотреть этот процесс в динамике — значит гораздо лучше понять природу повреждений.
Почему после сходных на вид (не смертельных) травм головного мозга разные пациенты показывают совершенно разные результаты в тестах на внимание, память, координацию движений? Почему люди, попавшие в не слишком серьёзные аварии, побывавшие в травмпункте и благополучно отпущенные домой, при возвращении к работе испытывают трудности?
Этими вопросами задались двое исследователей — Пол Тейлор (Paul Taylor) из американской национальной лаборатории Сандия (Sandia National Laboratories) и Кори Форд (Corey Ford) из университета Нью-Мексико (University of New Mexico).
Первое мгновение удара о лобовое стекло (чёрная линия справа).
Шкала показывает давление. Синий цвет — 1 атмосфера, красный — 30 атмосфер (иллюстрация Sandia National Laboratories).
Как сказано в пресс-релизе лаборатории, исследователи решили смоделировать картину удара головы о препятствие на суперкомпьютере.
Эксперимент должен был показать, что происходит в мозге человека, который врезается на автомобиле в стационарный барьер. Скорость столкновения — 54,7 километра в час.
Ремни безопасности не застёгнуты.
Для решения этой задачи авторы работы отсканировали голову женщины на томографе и составили её компьютерную модель с тремя разными типами тканей: череп, мозговая ткань и церебральная жидкость. Они ввели в компьютер физические характеристики этих тканей, а также создали математическую модель удара.
Другой кадр из богатой на события первой миллисекунды. На этот раз — срез мозга в горизонтальной плоскости.
Значения шкалы — те же, что и на предыдущем рисунке (иллюстрация Sandia National Laboratories).
Оказалось, что всего за миллисекунду после столкновения головы с лобовым стеклом в мозге могут произойти серьёзные повреждения, хотя, казалось бы, перемещения головы и мозга в этот момент невелики, да и ускорение не запредельное.
Причина — в ударных волнах, которые идут от точки удара внутри мозга, отражаются от стенок черепа и вновь прокатываются внутри головы. Вот видео — раз и два (MPEG-файлы, каждый по 5,7 мегабайта).
В момент прохождения этих волн в определённых точках мозга давление может достигать 30 атмосфер, а, кроме того, в некоторых местах возникают высокие напряжения сдвига. И то, и другое приводит к повреждению клеток мозга.
Ещё два сечения. Слева: напряжения сдвига (вид сбоку). Шкала в атмосферах (синий — 1, красный — 27). Справа: волны растяжения (красный цвет — 8 атмосфер) и сжатия (синий — 1 атмосфера).
Вид на голову сверху (иллюстрации Sandia National Laboratories).
В ходе данной работы авторы получили картину изменения напряжений с высоким разрешением как в пространстве (смотрите иллюстрации), так и во времени. Ведь одну миллисекунду удара компьютер разложил на огромное число кадров.
Тем не менее, двое исследователей намерены ещё больше повысить разрешение своей модели, чтобы доскональнее понять механизм повреждений в различных отделах мозга.
Эта информация пригодится как медикам, лечащим травмированных пациентов, так и разработчикам средств защиты (шлемов, касок).
Ну а для всех прочих вывод простой: всегда пристёгивайтесь за рулём.
РЭНДИ КРАМЕР (ЧАСТЬ 1) — Я ЗДЕСЬ, ЧТОБЫ ГОВОРИТЬ ПРАВДУ!
