Les progrès réalisés dans la conception des gilets pare-balles et des casques signifient que davantage de soldats survivront à une explosion proche d'une bombe placée au bord d'une route ou d'un tir ennemi. Mais beaucoup de gens reviennent du champ de bataille avec des lésions cérébrales non visibles et difficiles à détecter, même avec des balayages avancés. Le problème, c’est qu’on ne sait pas exactement ce qu’une onde explosive fait au cerveau.
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Christian Franck, professeur assistant en ingénierie à la Brown University, tente de remédier à cette situation en imaginant en 3D de petits groupes de cellules cérébrales et en filmant des neurones exposés à de minuscules chocs. L'idée est de voir exactement comment les cellules cérébrales changent de forme et réagissent dans les heures qui suivent un traumatisme.
Quelque 25 000 militaires et femmes ont subi des lésions cérébrales traumatiques en 2014, selon le département américain de la Défense. Seules 303 des blessures étaient «pénétrantes» ou du type qui laissent des blessures visibles. Le reste provenait de diverses formes de commotions cérébrales causées par des événements tels que des explosifs, des chutes et des accidents de la route.
La plupart de ces blessures - environ 21 000 - étaient considérées comme bénignes, ce qui signifie que la personne était confuse, désorientée ou avait perdu la mémoire pendant moins de 24 heures ou était inconsciente pendant 30 minutes ou moins. Ces patients ne reçoivent généralement pas de scanner du cerveau et, s'ils le font, les images paraissent généralement normales.
C'est un problème, dit Franck, car les problèmes psychologiques résultant de traumatismes crâniens à la tête peuvent provenir de lésions au niveau de la cellule, car le cerveau "rebranche" alors qu'il tente de guérir.
"Le recâblage a lieu après l'insulte, vous ne le remarquerez donc pas", dit Franck. "Nous voulons voir à quelle vitesse ces cellules se déforment. Avec les traumatismes contondants, nous avons une base de données beaucoup plus volumineuse. Avec des explosions, ce sont surtout des membres des forces armées qui ont des difficultés. veulent avoir accès à un traitement et obtenir de l'aide, mais ils ne savent pas ce qu'il faut dépister. "
Des expériences antérieures sur des rats ont montré des lésions cérébrales causées par des explosions, en particulier de l'hippocampe, mais ne se sont pas penchées sur le niveau cellulaire. Et alors que de précédentes études chez l'homme avaient examiné les cellules du cerveau dans les cas de traumatisme crânien, le tissu provenait uniquement de patients déjà morts.
Puisqu'on ne peut pas scruter l'intérieur d'un cerveau humain en train de subir une commotion, Franck a développé des cellules à partir du cerveau de rats sur un échafaudage biologique à l'intérieur d'une substance ressemblant à un gel. La configuration permet aux cellules de se développer en grappes de la même manière qu’elles se regrouperaient dans le cerveau.
Les cellules ne sont pas aussi bien emballées et ne font pas tout ce que les cellules du cerveau feraient normalement, mais elles fournissent un analogue approximatif. Franck peut ensuite exposer ces faisceaux cérébraux à des ondes de choc pour voir ce qui se passe.
Une onde explosive est différente de, disons, se faire frapper à la tête avec une brique, parce que l’échelle de temps est beaucoup plus courte, dit Franck. Un claquement de tête typique se produit en quelques millièmes de seconde alors qu'une onde explosive ne dure qu'un millionième de seconde. De plus, les effets d'une onde explosive n'ont pas un seul point d'origine, comme dans le cas d'une frappe physique.
Franck travaille sur une hypothèse selon laquelle les ondes de choc provenant d'explosions provoquent un phénomène dans le cerveau humain appelé cavitation - le même processus qui produit des bulles dans l'eau près d'une hélice de bateau. La théorie de la cavitation dans le cerveau n'est pas nouvelle et il existe des preuves assez solides que la cavitation se produit, mais nous n'avons pas encore les bonnes observations pour la déterminer comme cause des dommages aux cellules.
Selon la théorie, lorsqu'un choc se produit près d'un soldat, des ondes de choc se déplacent dans le crâne et créent de petites régions de basse pression dans les liquides qui entourent et pénètrent dans le cerveau. Lorsque la pression dans certaines régions est suffisamment basse, un petit espace ou cavité s'ouvre. Une fraction de seconde plus tard, la région de faible densité s’effondre.
Comme les cavités ne sont pas parfaitement sphériques, elles s’effondrent le long de leurs axes. Toute cellule à proximité est écrasée à l’intérieur de la cavité ou frappée par un jet de fluide haute densité tiré aux extrémités. Il semble évident qu'un tel événement endommagerait et tuerait des cellules, mais la nature de ces dommages est loin d'être claire.
Cette vidéo montre un laser tiré dans des neurones développés dans un gel, recréant la cavitation induite par une onde de choc susceptible de provoquer des lésions cérébrales chez les victimes d'explosion. (Jon Estrada, Université Christian Franck / Brown)C'est pourquoi Franck a filmé ses cellules cérébrales cultivées en laboratoire et présenté ses conclusions cette semaine lors de la 68e réunion annuelle de la Division de la dynamique des fluides de l'American Physical Society à Boston. Pour simuler la cavitation provoquée par une explosion, il a lancé des faisceaux laser sur les amas cellulaires. Les brefs tirs au laser chauffaient des fragments de gel retenant ensemble la matrice cellulaire, créant des cavités.
Il a utilisé une diode électroluminescente blanche couplée à un microscope et à un réseau de diffraction, qui génère des images à partir de deux perspectives différentes pour balayer les cellules sablées au laser à plusieurs reprises. Chaque instantané crée une image 3D des cellules en utilisant les deux images pour générer une sorte de film en 3D. Franck a ensuite regardé les cellules pendant une journée pour voir ce qu’elles ont fait et s’ils sont morts.
L'expérience a montré clairement que les cellules étaient endommagées par la cavitation. Mais ce n’est qu’un premier pas: l’intérieur du cerveau n’est pas uniforme, ce qui rend difficile le calcul de l’impact réel de la cavitation. En outre, il est difficile de modéliser les effets d'une onde de choc, car le fluide impliqué est assez complexe, explique Jacques Goeller, ingénieur chez Advanced Technology and Research Corporation, qui est maintenant à la retraite. Il a essayé de placer les têtes de cadavres sur le trajet des ondes de choc, ce qui fournissait une preuve indirecte de la cavitation lors d'une explosion.
Mais un autre facteur de complication est que les crânes vibrent à certaines fréquences, ce qui peut affecter leur déformation et déclencher la cavitation. "Lorsque le crâne vibre, il peut en résulter une autre série de bulles", explique Goeller.
Du côté positif, dans l'expérience de Franck, il est possible de contrôler la taille des bulles et leur position, ainsi que les propriétés du gel. Cela signifie que les recherches futures pourront utiliser la même configuration pour tester plusieurs scénarios possibles.
Les blessures subies par ces cellules de laboratoire peuvent ensuite être comparées aux vrais cerveaux de victimes de commotions cérébrales pour obtenir une meilleure image de ce qui se passe. Cela devrait faciliter le développement de traitements et de diagnostics.
Franck convient cependant qu'il reste encore du chemin à faire avant que les chercheurs sachent avec certitude comment les explosions affectent le cerveau. "Il reste encore beaucoup de travail en cours", a-t-il déclaré. "Nous sommes à mi-chemin à travers ça."
