Misurazione delle vibrazioni su un cervello biofidelico utilizzando un nanogeneratore di ferroelettrete

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8975 (2023) Citare questo articolo

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La nostra conoscenza delle lesioni cerebrali traumatiche è cresciuta rapidamente con l’emergere di nuovi marcatori che indicano vari cambiamenti neurologici che il cervello subisce durante un impatto o qualsiasi altra forma di evento concussivo. In questo lavoro studiamo la modalità delle deformazioni su un sistema cerebrale biofidelico quando soggetto a impatti contundenti, evidenziando l'importanza del comportamento dipendente dal tempo delle onde risultanti che si propagano attraverso il cervello. Questo studio viene effettuato utilizzando due diversi approcci che coinvolgono l'ottica (velocimetria dell'immagine delle particelle) e la meccanica (sensori flessibili) nel cervello biofidelico. I risultati mostrano che il sistema ha una frequenza meccanica naturale di \(\sim \) 25 oscillazioni al secondo, che è stata confermata da entrambi i metodi, mostrando una correlazione positiva tra loro. La coerenza di questi risultati con le patologie cerebrali precedentemente riportate convalida l’uso di entrambe le tecniche e stabilisce un nuovo e più semplice meccanismo per studiare le vibrazioni cerebrali utilizzando patch piezoelettrici flessibili. La natura viscoelastica del cervello biofidelico viene convalidata osservando la relazione tra entrambi i metodi a due diversi intervalli di tempo, utilizzando le informazioni sulla tensione e sullo stress all'interno del cervello rispettivamente dalla velocità delle immagini delle particelle e dal sensore flessibile. Una relazione sforzo-deformazione non lineare è stata osservata e giustificata per supportare la stessa.

La lesione cerebrale traumatica (TBI) è stata una delle principali cause di morte o disabilità in tutto il mondo1. L'incidenza del trauma cranico nei giocatori di football delle scuole superiori può essere doppia a causa della sottostima dovuta alla mancanza di consapevolezza o al desiderio di continuare a giocare2. Anche una forma più lieve di trauma cranico (nota anche come commozione cerebrale) è stata riconosciuta come un grave problema per la salute a causa dei suoi effetti a lungo termine3 e del suo collegamento con l'encefalopatia traumatica cronica (CTE), l'Alzheimer e il morbo di Parkinson4. Ciò ha creato la necessità urgente di comprendere meglio e prevenire questo tipo di lesioni. Il Center of Diseases Control and Prevention (CDC)5 definisce una commozione cerebrale come un tipo di lesione cerebrale traumatica (o TBI) causata da un urto, un colpo o una scossa alla testa o da un colpo al corpo che causa la testa e cervello di muoversi rapidamente avanti e indietro. Anche gli impatti di bassa magnitudo potrebbero causare gravi danni al cervello, se l’onda che si propaga attraverso il cervello ha componenti di frequenza comprese tra 20 e 40 Hz6. Pertanto, è importante comprendere le implicazioni dell'entità dell'impatto, nonché il suo comportamento dipendente dal tempo, ovvero le componenti di frequenza delle onde di pressione generate dall'impatto. Il cervello può essere visto come un mezzo viscoelastico con una geometria complessa e intricata. Un impatto sul cranio crea onde viaggianti che si propagano a frequenze e velocità diverse poiché la composizione non è omogenea. Ciò può creare concentrazioni di ceppo localizzate e dipendenti dal tempo in determinate regioni del cervello. Pertanto, la comprensione delle dinamiche temporali del cervello al momento dell’impatto è vitale per determinare la gravità di una collisione e le sue conseguenze a lungo termine. A tal fine, la modellizzazione del cervello è stata studiata fin dagli anni '40, quando Holbourn propose che il cervello potesse essere modellato come un sistema meccanico con input sotto forma di movimento della testa e spostamento del cervello come output7. Afferma inoltre che conoscendo le proprietà fisiche del cervello è possibile studiare il comportamento dopo un colpo utilizzando le leggi del movimento di Newton. Da allora, le lesioni cerebrali sono state caratterizzate dalle impronte cinematiche della testa, come il lavoro svolto da Ommaya e Gennarelli che indica che la lesione cerebrale è proporzionale all'accelerazione di picco e alla durata del picco8. Ciò ha portato allo sviluppo di parametri come la Wayne State Tolerance Curve (WSTC)9, il Gadd Severity Index (GSI)10 e i Head Injury Criteria (HIC)11. I recenti progressi nelle tecniche di imaging come l'imaging con tensore di diffusione (DTI) hanno dimostrato che si verificano cambiamenti nella sostanza bianca del cervello anche nel caso di impatti ripetitivi più piccoli (cioè non concussivi)12. È stato dimostrato che questi cambiamenti sono il risultato di un eccessivo allungamento degli assoni che a sua volta li danneggia13. Esistono anche prove che suggeriscono che lo sforzo nelle regioni profonde del cervello con un'alta densità di fibre assoniche è fortemente correlato al deterioramento cognitivo o alla commozione cerebrale14. Gli studi hanno dimostrato che le deformazioni cerebrali (strain) dipendono fortemente dalla frequenza del carico in ingresso15, con le onde di taglio che penetrano più in profondità nel cervello a frequenze più basse. Recentemente, Laksari et al. hanno pubblicato un esperimento di impatto basato su cadavere che identifica il picco di movimento relativo del cervello a circa 20 Hz6 e ha anche derivato le caratteristiche spaziotemporali del cervello durante gli impatti della testa utilizzando tecniche di decomposizione della modalità16. Ciò ha comportato l’uso della decomposizione della modalità dinamica sugli spostamenti nodali del cervello, dove si è scoperto che le ampiezze dello spostamento modale e le tensioni di picco nel cervello hanno frequenze nell’intervallo 20-40 Hz. Questa gamma relativamente ampia è dovuta alla non omogeneità del cervello, poiché diverse parti del cervello hanno proprietà fisiche diverse. Questo lavoro utilizza anche l'analisi modale per comprendere la principale differenza tra i casi di impatto alla testa che hanno portato alla perdita di coscienza e quelli che non lo hanno fatto. L'interesse principale di questo lavoro è comprendere la frequenza delle vibrazioni impostate nel cervello umano in seguito a un impatto violento. Per studiare la frequenza delle vibrazioni che si attivano nel cervello in seguito a un impatto contundente, utilizziamo un surrogato cerebrale sviluppato da un team di ricercatori della Michigan State University17. Questo modello di sistema cerebrale biofidelico, chiamato anche fantasma, è stato utilizzato in molteplici esperimenti per studiare i possibili meccanismi di lesione di un trauma cranico. Il fantasma è stato concettualizzato per la prima volta da Miller et al. dove hanno eseguito simulazioni computazionali sul modello al fine di studiare le correlazioni di sovrapressione dell'esplosione con il TBI. La loro rappresentazione tridimensionale consiste in un modello semplicistico e idealizzato di un cervello umano come mostrato nelle Fig. 1b e c. Questo modello dimostra le caratteristiche dimensionali complessive del cervello umano con le interazioni dei solchi e delle circonvoluzioni (pieghe e solchi). Questo fantasma è stato esaminato e verificato da un neurologo certificato che ha confermato la somiglianza fenomenologica con un cervello reale18. Il modello computazionale è stato in grado di mostrare tensioni più elevate all'interno delle interfacce e delle pieghe del cervello, supportando l'ipotesi che il trauma cranico da esplosione causi maggiori danni nei solchi e nelle circonvoluzioni18. Per costruire un fantasma cerebrale adatto agli esperimenti, Wermer et al. hanno studiato diversi materiali per determinare il miglior rappresentante biofidelico della materia cerebrale. Il loro studio ha incluso poliacrilammide (PAA), pelle/ossa bovine e gelatina balistica su cui hanno eseguito test meccanici di tensione, compressione e taglio. Queste proprietà meccaniche sono state confrontate con i valori della letteratura per il tessuto cerebrale umano e suino. Il PAA è risultato preferibile per simulare il tessuto cerebrale grazie alle sue molteplici proprietà del materiale e alla facilità di fabbricazione19. Utilizzando questa gelatina e la geometria sopra menzionata, Kerwin et al. ha eseguito uno studio sperimentale in cui il surrogato della testa è stato posizionato in una piastra flessibile e sottoposto a un impatto violento ed è stata osservata una presunta cavitazione (creazione e collasso di bolle di vapore nel liquido) tra i solchi del cervello. Questa è stata la prima osservazione di cavitazione in un esperimento al di fuori dei modelli computazionali a causa di un trauma cranico. Questa osservazione è stata possibile grazie alla geometria girata di questo fantasma, qualcosa che altri modelli sperimentali non sono stati in grado di replicare17. Sebbene il cervello fantasma utilizzato in questo lavoro non simula completamente un cervello reale con cavità ventricolari, differenze nei lobi e altri fattori anatomici, la sua geometria attuale ha reso possibili esperimenti con la visualizzazione della meccanica cerebrale che contribuiscono alla conoscenza dei meccanismi del trauma cranico.