Виртуальный мозг убил себя об стену ради науки

Как можно выяснить, какие повреждения получает мозг при ударе? Ответ предельно ясен — изучая злосчастных, попавших в поликлинику (либо морг) с повреждениями черепа, либо ставя опыты на животных.

Оба способа имеют свои недочеты. И оба позволяют увидеть результаты воздействия, но не дают способности узреть — что конкретно происходит в сам момент удара. А ведь разглядеть этот процесс в динамике — означает еще лучше осознать природу повреждений.

Почему после схожих с виду (не смертельных) травм мозга различные пациенты демонстрируют совсем различные результаты в тестах на внимание, память, координацию движений? Почему люди, попавшие в не очень 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 государственной лаборатории Сандия (Sandia National Laboratories) и Кори Форд (Corey Форд) из института Нью-Мексико (University of New Mexico).

1-ое мгновение удара о лобовое стекло (чёрная линия справа). Шкала указывает давление. Голубий цвет — 1 атмосфера, красноватый — 30 атмосфер (иллюстрация Sandia National Laboratories).

Как сказано в пресс-релизе лаборатории, исследователи решили смоделировать картину удара головы о препятствие на суперкомпьютере.

Опыт был должен показать, что происходит в мозге человека, который врезается на автомобиле в стационарный барьер. Скорость столкновения — 54,7 километра в час. Ремни не застёгнуты.

Для решения этой задачки создатели работы отсканировали голову дамы на томографе и составили её компьютерную модель с 3-мя различными типами тканей: череп, мозговая ткань и церебральная жидкость. Они ввели в компьютер физические свойства этих тканей, также сделали математическую модель удара.

Другой кадр из богатой на действия первой миллисекунды. Сейчас — срез мозга в горизонтальной плоскости. Значения шкалы — те же, что и на прошлом 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, ну и ускорение не запредельное.

Причина — в ударных волнах, которые идут от точки удара снутри мозга, отражаются от стен черепа и вновь прокатываются снутри головы. Вот видео — раз и два (MPEG-файлы, каждый по 5,7 мб).

В момент прохождения этих волн в определённых точках мозга давление может достигать 30 атмосфер, а, не считая того, в неких местах появляются высочайшие напряжения сдвига. И то, и другое приводит к повреждению клеток мозга.

Ещё два сечения. Слева: напряжения сдвига (вид с боковой стороны). Шкала в атмосферах (голубий — 1, красноватый — 27). Справа: волны растяжения (красноватый цвет — 8 атмосфер) и сжатия (голубий — 1 атмосфера). Вид на голову сверху (иллюстрации Sandia National Laboratories).

В процессе данной работы создатели получили картину конфигурации напряжений с высочайшим разрешением как в пространстве (смотрите иллюстрации), так и во времени. Ведь одну миллисекунду удара компьютер разложил на большущее число кадров.

Все же, двое исследователей хотят ещё больше повысить разрешение собственной модели, чтоб доскональнее осознать механизм повреждений в разных отделах мозга.

Эта информация понадобится как докторам, лечащим травмированных пациентов, так и разработчикам средств защиты (шлемов, касок).

Ну а для всех иных вывод обычный: всегда пристёгивайтесь за рулём.