Les marins vétérans savent que les vagues scélérates peuvent se lever soudainement au milieu de l'océan pour faire chavirer même les plus gros navires. Maintenant, il semble qu'un phénomène similaire appelé onde de choc de cisaillement se produise dans le cerveau commotionné. Cela peut aider à expliquer pourquoi certains coups à la tête causent tellement plus de mal que d'autres.

"Nous avons observé pour la première fois ce phénomène d'onde particulier dans le cerveau, et nous pensons que cela pourrait être un mécanisme principal de lésion neuronale dans de nombreux types de traumatisme crânien, " dit Gianmarco Pinton, Doctorat, professeur adjoint au Département d'État conjoint UNC-NC de génie biomédical. Pinton, professeur assistant de recherche David Espindola, Doctorat, et le technicien de recherche Stephen Lee ont décrit leurs observations dans un article publié dans Examen physique appliqué .

Pour plusieurs années, Pinton a essayé de développer de meilleures techniques d'imagerie par ultrasons pour suivre les ondes de cisaillement dans les tissus vivants. Il s'est concentré sur l'étude des ondes de cisaillement induites par l'impact, qui se bousculent avec des tissus relativement lents, forces côte à côte, contrairement aux ondes de compression mieux étudiées qui se déplacent dans la direction de l'impact à la vitesse du son.

La technologie d'imagerie par ultrasons est déjà disponible pour suivre les ondes de cisaillement dans les tissus, mais seulement celles qui sont relativement petites et faibles. Pinton et ses collègues, avec l'aide des progrès récents d'une technologie appelée élastographie par ultrasons, développé un appareil d'imagerie par ultrasons et des algorithmes de traitement des données pour suivre les plus grands, des ondes de cisaillement plus puissantes qu'eux et d'autres chercheurs soupçonnent d'endommager les tissus après des blessures à la tête.

Pour cette étude, Les scientifiques de l'UNC ont utilisé le cerveau des porcs, qui avait déjà été euthanasié lors de différentes expériences de laboratoire ailleurs. L'équipe de Pinton a découvert que les impacts entraînaient des ondes de cisaillement qui se regroupaient parfois et s'intensifiaient profondément dans le tissu cérébral pour former des ondes de choc de courte durée. Même si les ondes de choc n'ont pas duré longtemps, ils ont délivré près de dix fois l'accélération de déchirure des tissus observée dans l'onde de cisaillement initiale.

"C'était surprenant pour nous que cette amplification de l'accélération des ondes soit si forte, mais c'était très clair, " a déclaré Pinton. " Et il est également clair que nous devrions examiner ces ondes de choc courtes comme une source potentielle de lésions cérébrales. Par exemple, les neurones soumis à un front d'onde de 40 g pourraient être très bien. Mais une onde de 400 g pourrait détruire les neurones. »

"G" signifie gravité. Et "g-force" représente un changement dans la vitesse d'un objet. Quand tu tapes dans le dos de quelqu'un, c'est environ 4g ou 5g. Lorsque vous sautez à trois pieds en l'air et atterrissez les jambes raides, ça fait environ 100g. Mais dans ce saut, votre cerveau ne reçoit pas la force.

Surtout, le cerveau n'est pas attaché au crâne. Donc, lors d'un accident de voiture ou d'un gros coup de football, le cerveau accélère extrêmement vite lorsqu'il heurte le crâne, provoquant la propagation des ondes dans tout le cerveau. Cela peut entraîner des blessures et des commotions cérébrales. On pense généralement que les commotions cérébrales résultent d'impacts d'environ 90g à 100g. Mais les mesures sur le terrain des impacts de tête remettent en question cette hypothèse. D'autres chercheurs de l'UNC-Chapel Hill ont étudié des centaines de milliers d'impacts à la tête lors des entraînements et des matchs de football. Seuls quelques-uns des joueurs ayant subi 85g ont été commotionnés. Mais certains joueurs ont subi des commotions cérébrales à seulement 60g. Pourquoi?

"Nous pensons que les ondes de choc de cisaillement pourraient expliquer ce puzzle particulier, " Pinton a déclaré. "Il est plus facile de former ces ondes dans le cerveau avec des impacts à basse fréquence - des impacts qui sont soutenus pendant de plus longues périodes. Les différences dans les fréquences des impacts pourraient donc expliquer les grandes différences dans les résultats cliniques. »

Pinton a déclaré que les ondes de choc de cisaillement pourraient aider à expliquer d'autres modèles mystérieux de dommages dans les cas de blessures à la tête. Fortes commotions cérébrales, par exemple, provoquent souvent des lésions axonales diffuses, un motif apparemment aléatoire de taches dans tout le cerveau où le câblage neuronal a été déchiré.

"Le cerveau a une géométrie compliquée, et vous pouvez imaginer une onde désorganisée se propageant à travers elle de sorte qu'à certains endroits ces ondes de choc se développent et s'atténuent, laissant derrière eux des dommages dans ce schéma autrement inexplicable, " dit Pinton.

Il note que lorsque les ondes de choc de cisaillement se reflètent sur le crâne ou des structures dans le cerveau, ils peuvent donner lieu à des zones d'accélération encore plus intenses à proximité. En théorie, cela pourrait expliquer d'autres résultats liés aux traumatismes crâniens tels que le motif distinctif des dépôts de protéine tau dans les cas d'encéphalopathie traumatique chronique (CTE).

La prochaine étape pour Pinton et son équipe est d'essayer de relier la physique des ondes de choc de cisaillement aux blessures cliniques réelles. Les chercheurs travaillent maintenant avec un groupe de recherche plus important à l'UNC, qui a mis des instruments de mesure d'accélération dans les casques des joueurs de football de l'UNC. Lorsque les joueurs subissent des impacts g élevés et présentent des symptômes de commotion cérébrale, Pinton et ses collaborateurs évaluent leurs IRM.

"Nous essayons de simuler comment les ondes de choc de cisaillement se sont formées dans le cerveau de l'athlète, pour voir si nous pouvons trouver un moyen de prédire quand ces impacts causeront de réels dommages, " il dit.