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Ondas de choque podem criar bolhas perigosas no cérebro

Avanços na blindagem corporal e no design do capacete significam que mais soldados sobreviverão perto de uma explosão de uma bomba na beira da estrada ou fogo inimigo. Mas muitas pessoas voltam do campo de batalha com lesões cerebrais que não são imediatamente visíveis e são difíceis de detectar mesmo com exames avançados. O problema é que não está claro o que uma onda de choque faz no cérebro.

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Christian Franck, professor assistente de engenharia na Brown University, está tentando mudar isso imaginando pequenos grupos de células cerebrais em 3D e fazendo filmes de neurônios expostos a pequenos choques. A ideia é ver exatamente como as células cerebrais individuais mudam de forma e reagem nas horas após o trauma.

Cerca de 25.000 militares e mulheres sofreram lesões cerebrais traumáticas em 2014, de acordo com o Departamento de Defesa dos EUA. Apenas 303 das lesões foram "penetrantes", ou o tipo que deixa feridas visíveis. O resto era de várias formas de concussão causadas por eventos como explosivos, quedas e acidentes com veículos.

A maioria desses ferimentos - cerca de 21.000 - foi considerada leve, o que significa que a pessoa estava confusa, desorientada ou sofria perda de memória por menos de 24 horas ou estava inconsciente por 30 minutos ou menos. Esses pacientes geralmente não fazem varreduras cerebrais e, se o fazem, as imagens geralmente parecem normais.

Isso é um problema, diz Franck, porque os problemas psicológicos que surgem de lesões na cabeça causadas por concussão podem vir de danos no nível das células, uma vez que o cérebro "reage" enquanto tenta curar.

"A religação ocorre após o insulto, então você não percebe", diz Franck. "Queremos ver na escala celular o quão rápido essas células estão sendo deformadas. Com trauma contuso, temos um banco de dados muito maior. Com explosões, são principalmente pessoas nas forças armadas, e elas estão tendo dificuldades porque gostaria de acessar o tratamento e obter ajuda, mas eles não sabem o que procurar. "

Experiências passadas com ratos mostraram danos cerebrais de explosões explosivas, especialmente para o hipocampo, mas não olharam para o nível celular. E enquanto estudos anteriores em humanos examinaram células cerebrais em casos de lesões na cabeça, o tecido só veio de pacientes que já estavam mortos.

Uma vez que não podemos espiar dentro de um cérebro humano vivo enquanto está sendo concussionado, Franck desenvolveu células de cérebros de ratos em andaimes biológicos dentro de uma substância semelhante a gel. A configuração permite que as células cresçam em grupos semelhantes a como se agrupariam em um cérebro.

As células não são tão densamente compactadas e não estão fazendo todas as coisas que as células cerebrais usualmente fazem, mas fornecem um análogo áspero. Franck pode então expor esses feixes cerebrais a ondas de choque para ver o que acontece.

Uma onda de choque é diferente de, digamos, ser atingida na cabeça com um tijolo, porque a escala de tempo é muito mais curta, diz Franck. Um típico tapa na cabeça acontece ao longo de alguns milésimos de segundo, enquanto uma onda explosiva dura apenas milionésimos de segundo. Além disso, os efeitos de uma onda de choque não têm um único ponto de origem focalizado, como acontece com um ataque físico.

Franck está trabalhando com a hipótese de que ondas de choque causadas por explosões causam um fenômeno no cérebro humano chamado cavitação - o mesmo processo que faz bolhas na água perto de uma hélice de barco. A teoria da cavitação no cérebro não é nova, e há evidências bastante sólidas de que a cavitação acontece, mas ainda não temos as observações corretas para considerá-la como a causa do dano celular.

De acordo com a teoria, quando uma explosão acontece perto de um soldado, ondas de choque se movem através do crânio e criam pequenas regiões de baixa pressão nos líquidos que circundam e permeiam o cérebro. Quando a pressão em algumas regiões fica baixa o suficiente, um pequeno espaço ou cavidade se abre. Uma pequena fração de segundo depois, a região de baixa densidade entra em colapso.

Uma vez que as cavidades não são perfeitamente esféricas, elas colapsam ao longo de seus longos machados, e quaisquer células próximas são esmagadas dentro da cavidade ou atingidas por uma explosão de fluido de alta densidade que sai das extremidades. Parece óbvio que tal evento danificaria e mataria células, mas está longe de ser claro como é esse dano.

Este vídeo mostra um laser sendo disparado em neurônios cultivados em um gel, recriando a cavitação induzida por onda de choque que pode causar danos cerebrais em vítimas de explosão. (Jon Estrada, Christian Franck / Brown University)

É por isso que Franck fez filmes de células cerebrais cultivadas em laboratório e apresentou suas descobertas nesta semana na 68ª reunião anual da Divisão de Fluid Dynamics da American Physical Society, em Boston. Para simular a cavitação de uma explosão, ele disparou feixes de laser nos aglomerados celulares. Os breves disparos de laser aqueceram pedaços do gel que seguravam a matriz celular, criando cavidades.

Ele usou um LED branco acoplado a um microscópio e uma grade de difração, que gera imagens a partir de duas perspectivas diferentes para escanear as células explodidas a laser repetidamente. Cada instantâneo faz uma imagem 3D das células usando as duas imagens para gerar um tipo de filme 3D. Franck observou as celas por um dia para ver o que elas faziam e se elas morriam.

O experimento mostrou uma indicação clara do dano celular devido à cavitação. Mas é apenas um primeiro passo: o interior de um cérebro não é uniforme, o que dificulta o cálculo do impacto real da cavitação. Além disso, modelar os efeitos de uma onda de choque é difícil, porque o fluido envolvido é bastante complexo, diz Jacques Goeller, engenheiro da Advanced Technology and Research Corporation, que agora está semi-aposentado. Ele experimentou colocar as cabeças dos cadáveres nos caminhos das ondas de choque, o que forneceu evidências indiretas de cavitação durante uma explosão.

Mas outro fator complicador é que os crânios vibram em certas freqüências, o que pode afetar o quanto eles se deformam e acionam a cavitação. "Como o crânio está vibrando, pode causar outra série de bolhas", diz Goeller.

No lado positivo, no experimento de Franck é possível controlar o tamanho das bolhas e sua posição, assim como as propriedades do gel. Isso significa que pesquisas futuras podem usar a mesma configuração para testar vários cenários possíveis.

As lesões que essas células do laboratório sofrem podem ser comparadas com cérebros reais das vítimas de concussão para obter uma melhor imagem do que está acontecendo. Isso deve facilitar o desenvolvimento de tratamentos e diagnósticos.

Franck concorda, porém, que ainda há algum caminho a percorrer antes que os pesquisadores saibam com certeza como as explosões afetam o cérebro. "Ainda há muito trabalho em andamento", disse ele. "Estamos a meio caminho disso."

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