Измерение вибраций биофиделического мозга с помощью ферроэлектретного наногенератора

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8975 (2023) Цитировать эту статью

233 доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Наши знания о черепно-мозговой травме быстро расширяются с появлением новых маркеров, указывающих на различные неврологические изменения, которые претерпевает мозг во время удара или любой другой формы сотрясения мозга. В этой работе мы изучаем модальность деформаций биофидельной системы мозга при тупых воздействиях, подчеркивая важность зависящего от времени поведения результирующих волн, распространяющихся через мозг. Это исследование проводится с использованием двух разных подходов, включающих оптический (измерение скорости изображения частиц) и механический (гибкие датчики) в биофиделическом мозге. Результаты показывают, что система имеет собственную механическую частоту \(\sim\) 25 колебаний в секунду, что было подтверждено обоими методами, демонстрируя положительную корреляцию друг с другом. Согласованность этих результатов с ранее сообщенными патологиями головного мозга подтверждает использование любого метода и устанавливает новый, более простой механизм для изучения вибраций мозга с помощью гибких пьезоэлектрических пластырей. Вязко-эластичная природа биофиделического мозга подтверждается путем наблюдения за взаимосвязью между обоими методами в двух разных интервалах времени с использованием информации о напряжении и стрессе внутри мозга, полученной с помощью измерения скорости изображения частиц и гибкого датчика соответственно. Наблюдалась нелинейная зависимость напряжения-деформации, и это было подтверждено.

Черепно-мозговая травма (ЧМТ) является одной из основных причин смертности и инвалидности во всем мире1. Заболеваемость ЧМТ среди футболистов старших классов может быть в два раза выше из-за занижения данных из-за недостаточной осведомленности или желания продолжать играть2. Даже более легкая форма ЧМТ (также известная как сотрясение мозга) признана серьезной проблемой для здоровья из-за ее долгосрочных последствий3 и связи с хронической травматической энцефалопатией (ХТЭ), болезнью Альцгеймера и Паркинсона4. Это создало острую необходимость лучше понимать и предотвращать подобные травмы. Центр по контролю и профилактике заболеваний (CDC)5 определяет сотрясение мозга как тип черепно-мозговой травмы (или ЧМТ), вызванной ударом, ударом или толчком по голове или ударом по телу, в результате которого голова и мозг быстро перемещается вперед и назад. Даже удары небольшой силы могут вызвать серьезное повреждение головного мозга, если волна, распространяющаяся через мозг, имеет частотные компоненты в диапазоне 20 и 40 Гц6. Таким образом, важно понимать значение величины воздействия, а также его зависящее от времени поведение, то есть частотные компоненты волн давления, генерируемых ударом. Мозг можно рассматривать как вязкоупругую среду со сложной и запутанной геометрией. При ударе по черепу создаются бегущие волны, которые распространяются с разной частотой и разной скоростью, поскольку состав неоднороден. Это может создавать локализованные и зависящие от времени концентрации напряжения в определенных областях мозга. Таким образом, понимание временной динамики мозга при ударе имеет жизненно важное значение для определения тяжести столкновения и его долгосрочных последствий. С этой целью моделирование мозга исследуется с 1940-х годов, когда Холборн предположил, что мозг можно смоделировать как механическую систему с входными данными в виде движения головы и смещением мозга в качестве выходных данных7. Он также утверждает, что, зная физические свойства мозга, поведение после удара можно изучить, используя законы движения Ньютона. С тех пор травмы головного мозга характеризуются кинематическими признаками головы, как, например, в работе Оммайи и Дженнарелли, которая указывает на то, что травма головного мозга пропорциональна пиковому ускорению и продолжительности пика8. Это привело к разработке таких показателей, как кривая толерантности штата Уэйна (WSTC)9, индекс тяжести Гэдда (GSI)10 и критерии травмы головы (HIC)11. Недавние достижения в области методов визуализации, такие как диффузионно-тензорная визуализация (DTI), показали, что в белом веществе головного мозга происходят изменения даже в случае повторяющихся небольших (т.е. не сотрясающих) ударов12. Показано, что эти изменения являются результатом чрезмерного растяжения аксонов, которое, в свою очередь, повреждает их13. Есть также данные, позволяющие предположить, что напряжение в глубоких областях мозга с высокой плотностью аксонных волокон сильно коррелирует с когнитивными нарушениями или сотрясением мозга14. Исследования показали, что деформации (напряжения) мозга сильно зависят от частоты входной нагрузки15, при этом поперечные волны проникают глубже в мозг на более низких частотах. Недавно Лаксари и др. опубликовал эксперимент по воздействию на трупы, который определил пиковое относительное движение мозга на частоте около 20 Гц6, а также получил пространственно-временные характеристики мозга во время ударов головой, используя методы декомпозиции мод16. Для этого было использовано динамическое модовое разложение узловых смещений головного мозга, где было обнаружено, что амплитуды модальных смещений и пиковые напряжения в мозге имеют частоты в диапазоне 20–40 Гц. Такой относительно широкий диапазон обусловлен неоднородностью мозга, поскольку разные части мозга обладают разными физическими свойствами. В этой работе также используется модальный анализ, чтобы понять основную разницу между случаями удара головой, приведшими к потере сознания, и теми, которые этого не привели. Основной интерес этой работы — понять частоту вибраций, возникающих в человеческом мозге при тупом ударе. Чтобы изучить частоту вибраций, которые возникают в мозге при тупом ударе, мы используем суррогат мозга, разработанный командой исследователей из Мичиганского государственного университета17. Эта биофилическая модель системы мозга, также называемая фантомом, использовалась в многочисленных экспериментах для изучения возможных механизмов повреждения при ЧМТ. Фантом был впервые концептуализирован Миллером и др. где они выполнили вычислительное моделирование на модели, чтобы изучить корреляцию избыточного давления взрыва с ЧМТ. Их трехмерное представление представляет собой упрощенную и идеализированную модель человеческого мозга, как показано на рис. 1б и в. Эта модель демонстрирует общие размерные характеристики человеческого мозга с взаимодействием борозд и извилин (складок и борозд). Этот фантом был рассмотрен и проверен сертифицированным неврологом, который подтвердил феноменологическое сходство с реальным мозгом18. Вычислительная модель смогла показать более высокие напряжения в границах и складках мозга, подтверждая гипотезу о том, что взрывная ЧМТ вызывает больше повреждений в бороздах и извилинах18. Чтобы создать фантом мозга, подходящий для экспериментов, Вермер и др. изучили различные материалы, чтобы определить лучшего биофиделического представителя вещества мозга. Их исследование включало полиакриламид (ПАА), бычью кожу/кость и баллистический желатин, на котором они провели механические испытания на растяжение, сжатие и сдвиг. Эти механические свойства сравнивали с литературными значениями для тканей головного мозга человека и свиньи. Было обнаружено, что ПАА предпочтительнее имитировать ткань мозга из-за его многочисленных свойств материала и простоты изготовления19. Используя этот желатин и вышеупомянутую геометрию, Kerwin et al. провели экспериментальное исследование, в ходе которого заменитель головы был помещен в гибкую пластину и подвергнут тупому удару, при этом между бороздками головного мозга наблюдалась предполагаемая кавитация (создание и схлопывание пузырьков пара в жидкости). Это было первое появление кавитации в эксперименте за пределами вычислительных моделей из-за травмы головы. Это наблюдение стало возможным благодаря вращающейся геометрии этого фантома, которую другие экспериментальные модели не смогли воспроизвести17. Хотя фантом мозга, используемый в этой работе, не полностью имитирует реальный мозг с полостями желудочков, различиями долей и другими анатомическими факторами, его текущая геометрия сделала возможными эксперименты с визуализацией механики мозга, которые способствуют познанию механизмов ЧМТ.