ฟองอากาศในสมอง: ต้นเหตุของอาการบาดเจ็บทางสมอง

เมื่อทหารถูกระเบิด แรงระเบิดที่ปล่อยออกมาจะมีการสั่นไหวอย่างรุนแรง คลื่นแรงดันจะเข้าไปทำลายเนื้อเยื่อต่างๆตลอดทั้งร่างกาย เนื้อเยื่อเกือบทั้งหมดจะรักษาได้ตามเวลาของมันเอง แต่ผลกระทบต่อสมองนั้นสามารถที่จะเป็นอันตรายและอยู่ได้อย่างยาวนาน

ความเสียหายกับสมองในครั้งนี้จะเรียกว่า อาการบาดเจ็บทางสมอง (traumatic brain injury, TBI) นักวิทยาศาสตร์ยังไม่แน่ใจว่าเกิดอะไรขึ้นกับสมองที่ทำให้เกิดอาการ TBI แต่ถ้าพวกเขาสามารถหามันเจอได้ พวกเขาอาจจะสามารถหาวิธีป้องกันได้

ทีมนักวิจัยหนึ่งสงสัยว่า คลื่นแรงดันเหล่านั้นทำให้เกิดฟองอากาศในสมอง และข้อมูลใหม่ของพวกเขาแสดงให้เห็นว่า ฟองอากาศสามารถเป็นต้นเหตุให้เกิดการทำลายรูปแบบหนึ่งซึ่งนำไปสู่อาการ TBI ได้

Christian Franck ทำงานที่ Brown University in Providence, R.I. เขาได้นำเสนอการค้นพบของทีมวิจัยเมื่อวันที่ 23 พฤศจิกายน ในบอสตัน ที่งานประชุมประจำปีของ the American Physical Society’s division of fluid dynamics

คลื่นเสียงและคลื่นกระแทกเป็นตัวอย่างหนึ่งของคลื่นแรงดัน ในฐานะที่เป็นวิศวกรทางอวกาศ Franck ได้ศึกษาว่า คลื่นแรงดันประพฤติตัวอย่างไรในอากาศ ของแข็ง และของไหล และเขายังทำการศึกษาอีกด้วยว่า มันมีผลกระทบอย่างไรต่อเซลล์สมองเมื่อได้รับแรงกระแทกที่เกิดขึ้น

การกระแทกที่เกิดขึ้นนั้นสามารถที่จะฆ่าเซลล์ประสาทได้ ในตอนนี้ Franck และทีมวิจัยของเขาต้องการที่จะดูว่า จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อเซลล์ประสาทหรือนิวรอนถูกกระแทกด้วยคลื่นแรงดันที่มากกว่านี้

พวกเขาทำการเลี้ยงเซลล์ด้วยโปรตีนผสมเช่น คอลลาเจนในของผสม นิวรอนเจริญเติบโตและเชื่อมต่อกันเช่นเดียวกับที่อยู่ในสมอง แต่พวกมันไม่ได้อยู่กันอย่างอัดแน่นเหมือนกับในสมอง ซึ่งนั่นเป็นข้อดี เพราะว่ามันทำให้ง่ายต่อการศึกษาในแต่ละเซลล์ประสาท

มันไม่ใช่เรื่องยากที่จะทำการสร้างคลื่นแรงดันในห้องทดลอง แต่มันยากที่จะควบคุมความรุนแรงของมันเพื่อสร้างขนาดของฟองอากาศที่มีขนาดใกล้ ๆ กัน แต่ Franck มาพร้อมกับวิธีใหม่ที่ใช้ในการจำลองคลื่นแรงดันด้วยความรุนแรงค่าหนึ่งเฉพาะ

อุปกรณ์ของเขาคือ เลเซอร์ที่มีพลังงานสูง ด้วยการปรับความเข้มของมัน เขาสามารถที่จะปรับขนาดของฟองอากาศที่สร้างได้ ในการที่จะสร้างฟองอากาศขนาดใหญ่ในโปรตีนที่เต็มไปด้วยนิวรอนนั้น เขาทำการยิงเลเซอร์เข้าไปเป็นเวลานาน สำหรับฟองอากาศขนาดเล็ก เขาทำการลดพลังงานและยิงเข้าไปเพียงชั่วครู่ เนื่องจากเขาสามารถที่จะใช้แสงเลเซอร์ในพื้นที่ขนาดเล็ก ดังนั้นเขาสามารถที่จะควบคุมพื้นที่ที่อยากจะให้ฟองอากาศเกิดขึ้นนั้นได้อย่างง่ายดาย

แสงเลเซอร์ทำการระเหยเนื้อเยื่อเมื่อลำแสงนั้นไปโดน สิ่งนี้คล้ายกับเวลาที่สายฟ้าเคลื่อนตัวผ่านอากาศ สายฟ้าจะให้ความร้อนกับอากาศประมาณ 28,000 องศาเซลเซียส ซึ่งนั่นร้อนประมาณ 5 เท่าของพื้นผิวดวงอาทิตย์ หลังจากที่สายฟ้าได้ผ่านไป อากาศนั้นจะเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว เมื่ออากาศรอบ ๆ ไหลเข้ามาเติมเต็มบริเวณที่มีความดันต่ำ มันจะกระแทกเข้าหากันและเกิดฟ้าผ่าขึ้น

ในการทดลองใหม่ของพวกเขา เลเซอร์นั้นก่อให้เกิดฟองอากาศขึ้นในทันที ซึ่งจะหายไปเมื่อเลเซอร์ถูกปิดลง การขยายตัวอย่างรวดเร็วของกระแสฟองอากาศและการหดตัวอย่างทันทีนั้นเกิดจากเซลล์ได้ถูกทำลาย

เลเซอร์นั้นไม่ได้เข้าไปในสมองของคนที่ถูกระเบิด จริง ๆ แล้ว พวกเขาไม่ได้สร้างฟองอากาศขึ้นมาด้วยคลื่นแรงดัน แต่ Franck เชื่อว่า ฟองอากาศเหล่านั้นมีลักษณะคล้ายกับฟองอากาศที่เกิดขึ้นในสมองด้วยคลื่นแรงดัน ทำไมถึงเป็นเช่นนั้น คลื่นที่เกิดจากแรงดันสูงจะสะท้อนออกจากโครงสร้างภายในของสมอง เช่น หลอดเลือดและขอบเขตระหว่างเนื้อเยื่อ หลังจากนั้นคลื่นเหล่านี้จะทำให้เกิดบริเวณที่มีความดันต่ำ เขาสงสัยว่า ฟองอากาศจะเกิดขึ้นที่บริเวณนั้น เมื่อฟองอากาศเกิดขึ้นอยู่ภายในของไหล มันจะถูกเรียกว่า การเกิดโพรง (cavitation) เมื่อฟองอากาศมีขนาดเล็กมาก ๆ มันจะถูกเรียกว่า การเกิดโพรงระดับไมครอน (micro cavitation)

“นักวิจัยไม่รู้ว่าการเกิดโพรงในสมองนั้นสามารถทำให้เกิด TBI ได้หรือไม่ แต่ถ้ามีการเกิดโพรงขึ้น มันสามารถที่จะก่อให้เกิดอันตรายที่รุนแรงได้” Eric Johnsen กล่าว เขาทำการศึกษาเกี่ยวกับกลไกการไหลว่า ของเหลวและแก๊สนั้นมีปฏิกิริยาอย่างไรภายใต้แรงดัน ที่ University of Michigan

งานวิจัยของ Franck นั้นมีความสำคัญมาก เพราะว่าพวกเราต้องการที่จะเข้าใจว่า การเกิดโพรงในเนื้อเยื่อสมองทำให้เกิดอะไรขึ้นกับเนื้อเยื่อสมอง

Franck กล่าวว่า “หนึ่งในจุดหมายของเขาคือ การที่จะรู้ว่าการเกิดโพรงนั้นเป็นชนิดหนึ่งของการบาดเจ็บในสมองหรือไม่ ถ้ามันเป็นเช่นนั้นจริง นักวิจัยอาจจะสามารถทำการวิเคราะห์อาการ TBI โดยดูจากสัญญาณเหล่านี้ที่เกิดขึ้นได้” พวกเขาสามารถที่จะนำเอาตัวอย่างชิ้นเล็ก ๆ ที่มาจากผู้ป่วยที่ยังมีชีวิตอยู่หรือวิเคราะห์จากเนื้อเยื่อของผู้ป่วยที่เสียชีวิตแล้วก็ได้

อีกจุดหมายหนึ่งของกลุ่มวิจัยคือ การค้นหาว่าการเกิดโพรงระดับไมครอนนั้นฆ่าเซลล์สมองได้ในลักษณะเดียวกับการกระแทกหรือชนกันหรือไม่ มันอาจจะฆ่าเซลล์สมองได้มากกว่าการกระแทกแบบปกติ

ในการทดสอบเบื้องต้นเพื่อทำการจำลองการกระแทก นิวรอนนั้นเกิดการบวมตัวที่จุด ๆ หนึ่งเมื่อพวกมันถูกทำให้ยืดออก กดทับ หรือบิดตัวอย่างรวดเร็ว หลังจากนั้น เซลล์เหล่านั้นจะปล่อยให้เซลล์ข้างเคียงตายลงภายในหนึ่งชั่วโมง

ถ้าหากการเกิดฟองอากาศเป็นเบื้องหลังของอาการ TBI ตามที่ Franck สงสัย การค้นหาว่าจะป้องกันหรือจะลดคลื่นแรงดันที่เกิดขึ้นภายในสมองได้อย่างไรนั้นอาจจะช่วยชีวิตของเหล่าทหารไว้ได้เป็นจำนวนมาก เขาชี้ให้เห็นว่า หน่วย SWAT ที่ใช้ระเบิดในการเปิดประตู รวมไปถึงกลุ่มคนที่ถูกทำการฝึกด้วยนั้น อาจจะมีความเสี่ยงต่ออาการ TBI ได้///วิชาการดอทคอม