Τα μοντέλα υπολογιστών εγκεφαλικού τραυματισμού χαρτογραφούν τα αιμοφόρα αγγεία του εγκεφάλου σε υψηλότερη ανάλυση ακόμα

Τα μοντέλα υπολογιστών εγκεφαλικού τραυματισμού χαρτογραφούν τα αιμοφόρα αγγεία του εγκεφάλου σε υψηλότερη ανάλυση ακόμα

Οι αυτοκρατορικοί ερευνητές έχουν δημιουργήσει ένα μοντέλο υπολογιστή τραυματικής εγκεφαλικής βλάβης (TBI) που χαρτογραφεί τα αιμοφόρα αγγεία σε έναν εγκέφαλο αρουραίου στην υψηλότερη ανάλυση ακόμα.

Λένε ότι τα μοντέλα θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη βελτίωση της κατανόησής μας για το πώς επηρεάζονται τα αιμοφόρα αγγεία από την ΤΒΙ, καθώς και τις επιδράσεις της στο προστατευτικό στρώμα που τα περιβάλλει γνωστά ως αιματοεγκεφαλικό φράγμα (BBB), το οποίο προστατεύει τον εγκέφαλο από επιβλαβή κυκλοφορούντα μόρια και παθογόνα. .

Εάν οι μέθοδοι μεταφράζονται καλά στον ανθρώπινο εγκέφαλο, θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη βελτίωση της κατανόησής μας για το πώς αναπτύσσονται τα TBI και πώς είναι καλύτερο να αντιμετωπιστούν και να προστατευθούν από αυτούς. Οι προσομοιώσεις θα μπορούσαν ακόμη και να βοηθήσουν στην αντικατάσταση ζωικών μοντέλων TBI, μειώνοντας ενδεχομένως τη χρήση ζώων στην έρευνα εγκεφάλου.

Τα TBI είναι η συνηθέστερη αιτία χρόνιας αναπηρίας σε παιδιά κάτω των 40 ετών και προκύπτουν από σοβαρά χτυπήματα ή χτυπήματα στο κεφάλι - συνήθως κατά τη διάρκεια οδικών κυκλοφοριακών συμβάντων, πτώσεων και επιθέσεων. Τα συμπτώματα μπορεί να περιλαμβάνουν πονοκεφάλους, ζάλη, κόπωση, ευερεθιστότητα και μειωμένη μνήμη.

Ξεκινώντας από το σημείο της κρούσης, οι μηχανικές δυνάμεις ταξιδεύουν σε κύματα μέσω του εγκεφάλου, στρεβλώνοντας, τεντώνονται και κουρεύουν τις δομές του εγκεφάλου ως καταρράκτες. Αυτές οι δυνάμεις είναι γνωστό ότι επηρεάζουν τα αιμοφόρα αγγεία, αλλά οι λεπτές λεπτομέρειες της σχέσης μεταξύ μηχανικών δυνάμεων και αγγειακών τραυματισμών δεν έχουν ακόμη εντοπιστεί.

Τώρα, οι ερευνητές στο Imperial College London δημιούργησαν ένα υπολογιστικό μοντέλο TBI που χαρτογραφεί το δίκτυο των αγγείων στον εγκέφαλο - που ονομάζεται αγγειακό σύστημα - στην υψηλότερη ανάλυση ακόμα, ενσωματώνοντας αγγεία εγκεφάλου αρουραίου με διάμετρο μόλις 10 μικρά.

Χρησιμοποιώντας τα μοντέλα, διαπίστωσαν ότι τα παρακείμενα αιμοφόρα αγγεία διατηρούν πολύ διαφορετικά επίπεδα στρες ανάλογα με την ευθυγράμμισή τους με τα γειτονικά. Τα αιμοφόρα αγγεία σε γωνίες 90 ° με τους άλλους ήταν λιγότερο πιθανό να υποστούν βλάβη και τα αγγεία θα μπορούσαν να τεντωθούν έως και 14 τοις εκατό του αρχικού τους μήκους χωρίς τραυματισμό, ενώ το τέντωμα περισσότερο από αυτό το ποσό θα είχε ως αποτέλεσμα τραυματισμό.

Ο επικεφαλής συγγραφέας Δρ. Siamak Khosroshahi, ο οποίος διεξήγαγε το έργο ενώ βρισκόταν στο Imperial's Dyson School of Design Engineering, δήλωσε: «Η μοναδική μας προσέγγιση εξηγεί τον μη αναγνωρισμένο ρόλο της αγγειακής ανατομίας και της διατμητικής πίεσης στο πόσο μεγάλες δυνάμεις πέφτουν στον εγκέφαλο. Αυτή η νέα κατανόηση θα μπορούσε να συμβάλει στη βελτίωση της διάγνωσης και της πρόληψης της ΤΒΙ. "

Ο βαθμός στον οποίο το BBB αφήνει μόρια στον εγκέφαλο είναι γνωστό ως διαπερατότητα. Το φράγμα μπορεί να γίνει πιο διαπερατό μετά τον τραυματισμό, καθιστώντας πιο πιθανό να αφήσει τα προφλεγμονώδη μόρια να φτάσουν στον εγκέφαλο και να οδηγήσουν σε περαιτέρω τραυματισμό.

Η συν-συγγραφέας Dr. Magdalena Sastre του Τμήματος Επιστημών Εγκεφάλου δήλωσε: «Η διερεύνηση της αγγειακής βλάβης στον τραυματισμό στο κεφάλι είναι σημαντική επειδή ένα κατεστραμμένο φράγμα αίματος-εγκεφάλου μπορεί να αφήσει επιβλαβή μόρια που επιδεινώνουν τον αρχικό τραυματισμό».

Χρησιμοποιώντας μοντέλα TBI σε αρουραίους, οι συγγραφείς έδειξαν ότι μεγαλύτερη διαπερατότητα BBB εμφανίζεται στο TBI ως αποτέλεσμα της διαταραχής του αγγειακού συστήματος και ότι αυτό είναι πιο εμφανές αμέσως μετά τον τραυματισμό.

Από αυτές τις πληροφορίες δημιούργησαν ψηφιακά μοντέλα εγκεφάλου σε αρκετά υψηλή ανάλυση για να τονίσουν το αγγειακό σύστημα. Διαπίστωσαν ότι τα μοντέλα υπολογιστών τους επέτρεψαν να προβλέψουν με ακρίβεια την κατανομή του στρες στα μικρά αιμοφόρα αγγεία του εγκεφάλου των αρουραίων. Τα μοντέλα τους επέτρεψαν επίσης να επιβραδύνουν το χρόνο για να δουν πιο προσεκτικά τις λεπτομέρειες του TBI.

Τα μοντέλα υπολογιστών εγκεφαλικού τραυματισμού χαρτογραφούν τα αιμοφόρα αγγεία του εγκεφάλου σε υψηλότερη ανάλυση ακόμα

Ο ανώτερος συγγραφέας Δρ. Mazdak Ghajari, επίσης από τη Σχολή Μηχανικών Σχεδιασμού της Dyson της Imperial, δήλωσε: Με την επιβράδυνση της διαδικασίας, μπορούμε να εντοπίσουμε με ακρίβεια ποιες περιοχές του εγκεφάλου υφίστανται τη μεγαλύτερη ζημιά και να κατανοήσουμε γιατί. "

Ο συν-συγγραφέας καθηγητής David Sharp, επίσης του Τμήματος Επιστημών του Εγκεφάλου, δήλωσε: «Αυτό το συναρπαστικό νέο μοντέλο παρέχει πληροφορίες για τον τρόπο με τον οποίο οι τραυματισμοί στο κεφάλι οδηγούν σε εγκεφαλική αιμορραγία. Τα κύρια κέντρα τραυμάτων μας είναι προετοιμασμένα για τη γρήγορη διαχείριση της αιμορραγίας μέσα στο κρανίο, καθώς αυτό μπορεί να είναι απειλητικό για τη ζωή. Ωστόσο, δεν καταλαβαίνουμε πώς οι τραυματισμοί στο κεφάλι παράγουν διαφορετικούς τύπους αιμορραγιών, γεγονός που περιορίζει την ικανότητά μας να προβλέψουμε ποια είδη τραυματισμού στο κεφάλι είναι πιθανό να οδηγήσουν σε αιμορραγία. Η ανάπτυξη αυτού του μοντέλου είναι ένα σημαντικό βήμα στην κατανόηση αυτής της σημαντικής διαδικασίας. "

Οι νέες προσομοιώσεις υπολογιστών υψηλής ανάλυσης θα μπορούσαν να προσφέρουν ένα σχέδιο για τη μελέτη των TBI με τη χρήση περισσότερων υπολογιστών και λιγότερων ζωικών μοντέλων, σύμφωνα με τις αρχές της αντικατάστασης, της μείωσης και της βελτίωσης (τα 3Rs) στην έρευνα σε ζώα.

Οι ερευνητές λένε ότι τα μοντέλα τους θα μπορούσαν επίσης να παρέχουν έναν πιο αντικειμενικό τρόπο για την αξιολόγηση συστημάτων προστασίας όπως κράνη. Απαιτούνται επίσης μελλοντικές μελέτες για ανθρώπους που περιλαμβάνουν λεπτομερείς ανακατασκευές της βιομηχανικής του TBI για να επιβεβαιωθούν τα ευρήματα πριν τα χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη κινδύνου τραυματισμού σε ανθρώπους.

Η βελτιωμένη κατανόηση του BBB θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην περαιτέρω έρευνα σχετικά με τη διανομή φαρμάκων ειδικών για τον εγκέφαλο φαρμάκων.

Αυτή η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από το Wellcome Trust και το Royal British Legion Center for Blast Injury Studies στο Imperial College London.

«Η πολυκλίμακα μοντελοποίηση εγκεφαλοαγγειακού τραυματισμού αποκαλύπτει τον ρόλο της αγγειακής ανατομίας και των παρεγχυματικών τάσεων διάτμησης» από τους Siamak Farajzadeh Khosroshahi et al., Που δημοσιεύθηκε στις 21 Ιουνίου 2021 Επιστημονικές Εκθέσεις.