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modello 3-D di Brain Reconstructs Moment del giocatore di football americano di impatto

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Gli scienziati hanno modellato che cosa accade al cervello di un giocatore di football americano quando si scontra validamente con un altro giocatore.

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Gli studi, intrapresi dai ricercatori all'Imperial College London, sono stati effettuati per capire più dettagliatamente il collegamento fra il trauma cranico traumatico (TBI) e l'encefalopatia traumatica cronica (CTE). L'ultimo è una forma di demenza e causa un'accumulazione a lungo termine delle proteine chiamate tau, connessa con la degenerazione del tessuto cerebrale e della salute diminuente.

TBI accade quando impatti di una forza esterna sul cervello. La gente che è stata coinvolgere negli incidenti prodotti su commissione di TBI quali gli incidenti del motociclo e nello sportspeople come i calciatori che hanno TBIs ripetitivo dalle collisioni sul campo, è entrambe il vulnerabile a CTE. Gli scienziati ritengono che ci sia un collegamento fra l'impatto iniziale in un TBI e dove i depositi di tau si accumulano nel cervello.

Ora, i ricercatori imperiali hanno modellato come il tessuto cerebrale deforma durante l'impatto fra due giocatori di football americano sul campo. Inoltre hanno modellato che cosa accade al cervello di una persona quando hanno una caduta di livello del suolo e l'impatto iniziale al cervello in un incidente del motociclo. Hanno paragonato i loro modelli ad alta fedeltà 3-D ai dati di RMI su un gruppo di 97 pazienti a TBI e gli studi sui dati post mortem dei cervelli dei calciatori dall'associazione di calcio nazionale dell'America (NFL) a CTE, precedentemente donato agli istituti di scienza in America per l'analisi. Hanno osservato il deposito di tau nei cervelli, che poi è stato diagnosticato come CTE.

«in TBI, la forza del colpo scuote il cervello, che è simile nella struttura gelatinizzarsi. Questo processo d'agitazione deforma il tessuto cerebrale e può causare in seguito i vasi sanguigni rotti e le cellule nervose danneggiate e le complicazioni più severe. Abbiamo potuti ripiegare quei momenti iniziali in cui il cervello “della gelatina” in primo luogo è deformato su impatto, combinando i principi d'organizzazione e la conoscenza medica. Ciò sta fornendoci le nuove comprensioni,» ha detto Mazdak Ghajari, un ingegnere che guidato co lo studio da Dyson School di ingegneria di progettazione all'Imperial College London.

Il gruppo imperiale ha indicato in tutti i loro modelli 3-D che il danno creato da un TBI è più grande nelle profondità dei popolare sulla superficie del cervello ha chiamato i solchi. Gli studi precedenti su CTE hanno indicato che la tau inoltre si accumula in solchi. Inoltre, il gruppo ha scoperto che la posizione e la severità del colpo alla testa su impatto possono avere un'influenza significativa sulla grandezza e sul modello della lesione in seguito quando CTE si sviluppa.

I ricercatori dicono che ulteriore chiarimento di questi collegamenti negli studi futuri sarà la chiave ad analizzare gli effetti a lungo termine degli impatti capi. Ciò ha potuto condurre ai nuovi miglioramenti nelle strategie protettive, compreso i nuovi tipi di progettazioni del casco.

«Le tecnologie correnti per la valutazione della sicurezza del casco sono abbastanza grezze. Il nostro lavoro è ancora nelle fasi iniziali, ma crediamo che mostri la promessa per più esattamente la modellistica come il cervello deforma nei tipi differenti di impatti. Facendo uso di questa conoscenza potremmo migliorare la progettazione delle aree particolari dei caschi in modo che potessero resistere alle collisioni connesse con i tipi particolari di sport. Potremmo anche progettare il copricapo che può più proteggere i motociclisti, che sono così vulnerabili sulla strada. Infine, pensiamo che la migliore usura protettiva possa impedire le malattie a lungo termine quale CTE,» ha aggiunto Ghajari.

Modellistica di lesione

Il gruppo ha effettuato la loro modellistica riunendo i dati dagli incidenti reali. Nel caso dei giocatori di football americano, il gruppo imperiale ha usato i dati che originalmente sono stati raccolti da Biokinetics ed associa la srl (Canada). I dati sono stati raccolti dai giochi di NFL che hanno accaduto dal 1996 al 2001. Complessivamente 182 collisioni sono state registrate nello studio. Il gruppo imperiale ha scelto una collisione che hanno pensato sono stati ricostruiti bene in laboratorio ed hanno introdotto questi dati nel loro modello.

Il gruppo ha ricostruito la seconda lesione facendo uso delle cartelle sanitarie che hanno dettagliato la caduta di un paziente ad un pavimento di marmo, dal livello del suolo. Hanno ricostruito la caduta facendo uso di un manichino ed hanno registrato le accelerazioni cape durante l'impatto.

L'incidente che comprende una collisione fra un motociclista e una carrozza ferroviaria è stato ricostruito al laboratorio di ricerca del trasporto. Gli strumenti misura dentro una testa fittizia che indossa un casco, identico a quello indossato nell'incidente e gli impatti sono stati registrati. La posizione e la velocità dell'impatto erano regolato per ripiegare molto attentamente il danno visto sulle coperture ed allineare del casco.

Le informazioni registrate dai sensori durante l'ogni ricostruzione sono state inserite in un modello 3-D su un computer, creato dalle risonanze magnetiche di un maschio di 34 anni in buona salute. Il software del gruppo ha permesso loro a pixelate la testa in un milione di elementi hexahedral e un quarto degli elementi del quadrilatero di milione, che hanno rappresentato 11 tipo di tessuti compreso il cuoio capelluto, il cranio, il cervello e le caratteristiche anatomiche quali i solchi. Ciò ha dato loro la capacità di alta fedeltà di mettere a fuoco dettagliatamente sulle parti più nocive dall'impatto iniziale di un TBI. Poi hanno paragonato i loro modelli ai dati di RMI e gli studi post mortem dei calciatori americani con CTE, che ha mostrato le forze meccaniche ai tempi della collisione sono concentrati nelle posizioni del deposito di tau vedute nei cervelli dei calciatori con demenza.

Il futuro

«Siamo molto emozionanti dalla capacità di collegare gli effetti iniziali e recenti delle lesioni alla testa. Una grande sfida sta identificando i pazienti a rischio di demenza dopo la lesione alla testa ed il nostro studio fornisce un modo collegare gli eventi critici in questo processo. Lavoreremo per capire come il modo che il cervello deforma i cavi a degenerazione del cervello, poichè questo sarà chiave alla protezione contro demenza,» ha detto David Sharp, co-author dal dipartimento di medicina all'Imperial College London.

I ricercatori progettano di usare il modello elaborato dal calcolatore per ottimizzare la progettazione dei copricapi di sport, con il fuoco su due sport della corrente principale, football americano ed equitazioni.

Il gruppo inoltre lavorerà con i ricercatori dal centro britannico reale della legione per gli studi di scoppio ad imperiale, esplorante gli effetti degli scoppi sul tessuto cerebrale.