강유전자 나노발전기를 이용한 생체신뢰 뇌의 진동 측정

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8975(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

외상성 뇌 손상에 대한 우리의 지식은 충격이나 다른 형태의 뇌진탕 사건 중에 뇌가 겪는 다양한 신경학적 변화를 가리키는 새로운 지표의 출현으로 빠르게 성장하고 있습니다. 이 연구에서 우리는 둔한 충격을 받을 때 생체 충실성 뇌 시스템의 변형 양식을 연구하여 뇌를 통해 전파되는 결과 파동의 시간에 따른 동작의 중요성을 강조합니다. 이 연구는 생물학적 뇌에서 광학적(입자 이미지 속도계) 및 기계적(유연한 센서)과 관련된 두 가지 다른 접근 방식을 사용하여 수행됩니다. 결과는 시스템이 초당 \(\sim \) 25 진동의 자연 기계적 주파수를 가지고 있음을 보여 주며 이는 두 방법 모두에 의해 확인되었으며 서로 양의 상관 관계를 보여줍니다. 이전에 보고된 뇌 병리와 이러한 결과의 일관성은 두 기술의 사용을 검증하고 유연한 압전 패치를 사용하여 뇌 진동을 연구하는 새롭고 간단한 메커니즘을 확립합니다. 바이오피델릭 뇌의 점탄성 특성은 각각 입자 이미지 속도계와 유연한 센서에서 얻은 뇌 내부의 변형 및 스트레스 정보를 사용하여 서로 다른 두 시간 간격으로 두 방법 간의 관계를 관찰함으로써 검증됩니다. 비선형 응력-변형 관계가 관찰되었으며 이를 뒷받침하는 것으로 정당화되었습니다.

외상성 뇌 손상(TBI)은 전 세계적으로 사망 또는 장애의 주요 원인 중 하나였습니다1. 고등학교 축구 선수의 TBI 발병률은 인식 부족이나 계속 플레이하려는 욕구로 인한 과소보고로 인해 두 배나 높을 수 있습니다2. 경미한 형태의 TBI(뇌진탕이라고도 함)라도 장기적인 영향3과 만성 외상성 뇌병증(CTE), 알츠하이머병 및 파킨슨병4과의 연관성으로 인해 심각한 건강 문제로 인식되어 왔습니다4. 이로 인해 이러한 유형의 부상을 더 잘 이해하고 예방해야 할 긴급한 필요성이 생겼습니다. 질병통제예방센터(CDC)5에서는 뇌진탕을 머리에 부딪히거나 타격을 가하거나 충격을 가하거나 신체에 충격을 받아 발생하는 외상성 뇌손상(또는 TBI)의 한 유형으로 정의합니다. 뇌는 앞뒤로 빠르게 움직입니다. 뇌를 통해 전파되는 파동이 20~40Hz 범위 내의 주파수 성분을 갖는 경우 크기가 작은 충격이라도 심각한 뇌 손상을 일으킬 수 있습니다6. 따라서 충격 크기의 영향과 시간에 따른 동작, 즉 충격에 의해 생성된 압력파의 주파수 구성 요소를 이해하는 것이 중요합니다. 뇌는 복잡하고 복잡한 기하학을 지닌 점탄성 매체로 볼 수 있습니다. 두개골에 충격을 가하면 구성이 비균질하기 때문에 서로 다른 주파수와 속도로 전파되는 진행파가 생성됩니다. 이는 뇌의 특정 영역에 국부적이고 시간에 따른 변형 농도를 생성할 수 있습니다. 따라서 충돌 시 뇌의 시간적 역학을 이해하는 것은 충돌의 심각성과 장기적인 결과를 결정하는 데 필수적입니다. 이를 위해 뇌의 모델링은 1940년대 Holbourn이 뇌가 머리 움직임 형태의 입력과 뇌 변위 형태의 입력을 출력으로 갖는 기계 시스템으로 모델링될 수 있다고 제안한 이후로 연구되어 왔습니다7. 그는 또한 뇌의 물리적 특성을 알면 타격 후의 행동을 뉴턴의 운동 법칙을 사용하여 연구할 수 있다고 말합니다. 그 이후로 뇌 손상은 Ommaya와 Gennarelli가 수행한 연구와 같이 머리의 운동학적 특징을 특징으로 하며, 이는 뇌 손상이 최고 가속도와 최고 지속 기간에 비례한다는 것을 나타냅니다8. 이로 인해 WSTC(Wayne State Tolerance Curve)9, GSI(Gadd Severity Index)10 및 HIC(두부 손상 기준)11과 같은 측정 기준이 개발되었습니다. 확산 텐서 이미징(DTI)과 같은 이미징 기술의 최근 발전을 통해 반복적으로 작은(즉, 뇌진탕이 아닌) 충격이 가해지는 경우에도 뇌의 백질에 변화가 있음이 나타났습니다12. 이러한 변화는 과도한 축삭 확장으로 인해 축삭이 손상되는 결과로 나타납니다13. 또한 축삭 섬유 밀도가 높은 뇌 심부 영역의 긴장이 인지 장애 또는 뇌진탕과 밀접한 관련이 있음을 시사하는 증거도 있습니다14. 연구에 따르면 뇌 변형(변형)은 입력 하중15의 주파수에 크게 의존하며, 전단파는 낮은 주파수에서 뇌 깊숙이 침투하는 것으로 나타났습니다. 최근에는 Laksari et al. 약 20Hz6에서 최대 상대 뇌 운동을 식별하고 모드 분해 기술을 사용하여 머리 충격 중 뇌의 시공간 특성을 도출하는 카데버 기반 충격 실험을 발표했습니다. 여기에는 뇌 노드 변위에서 동적 모드 분해를 사용하는 것이 포함되었으며, 여기서 뇌의 모드 변위 진폭과 최대 변형률은 20-40Hz 범위의 주파수를 갖는 것으로 나타났습니다. 이 상대적으로 넓은 범위는 뇌의 서로 다른 부분이 서로 다른 물리적 특성을 가지기 때문에 뇌의 비균질성 때문입니다. 이 연구에서는 또한 모드 분석을 사용하여 의식 상실로 이어지는 머리 충격 사례와 그렇지 않은 사례 간의 주요 차이점을 이해합니다. 이 연구의 주된 관심은 둔기 충격에 의해 인간의 뇌에 전달되는 진동의 빈도를 이해하는 것입니다. 둔탁한 충격에 의해 뇌에 발생하는 진동의 빈도를 연구하기 위해 우리는 미시간 주립대학교 연구진이 개발한 뇌 대용 장치를 사용합니다17. 팬텀이라고도 불리는 이 생체 충실성 뇌 시스템 모델은 TBI의 가능한 손상 메커니즘을 연구하기 위한 여러 실험에 사용되었습니다. 팬텀은 Miller et al.에 의해 처음 개념화되었습니다. 그들은 TBI에 대한 폭발 과압 상관관계를 연구하기 위해 모델에 대한 계산 시뮬레이션을 수행했습니다. 그들의 3차원 표현은 그림 1b와 c에 표시된 것처럼 인간 두뇌의 단순하고 이상적인 모델로 구성됩니다. 이 모델은 고랑과 회선(접힌 부분과 홈)의 상호 작용을 통해 인간 두뇌의 전반적인 크기 특성을 보여줍니다. 이 팬텀은 실제 뇌와 현상학적 유사성을 확인한 위원회 인증을 받은 신경과 전문의에 의해 검토되고 검증되었습니다. 계산 모델은 뇌 경계면과 접힘 내에서 더 높은 변형을 보여줄 수 있었고 폭발 TBI가 고랑과 뇌회에서 더 많은 손상을 일으킨다는 가설을 뒷받침했습니다. 실험에 적합한 뇌 팬텀을 만들기 위해 Wermer et al. 뇌 물질을 가장 잘 대표하는 생물학적 물질을 결정하기 위해 다양한 재료를 연구했습니다. 그들의 연구에는 폴리아크릴아미드(PAA), 소 피부/뼈 및 탄도 젤라틴이 포함되어 있으며 장력, 압축 및 전단에 대한 기계적 테스트를 수행했습니다. 이러한 기계적 특성은 인간과 돼지의 뇌 조직에 대한 문헌 값과 비교되었습니다. PAA는 다양한 재료 특성과 용이한 제작으로 인해 뇌 조직을 시뮬레이션하는 데 선호되는 것으로 나타났습니다. 이 젤라틴과 앞서 언급한 기하학을 활용하여 Kerwin et al. 는 머리 대용물을 유연한 판에 놓고 둔한 충격을 가한 실험 연구를 수행했으며 추정된 공동 현상(액체 내 증기 기포의 생성 및 붕괴)이 뇌 고랑 사이에서 관찰되었습니다. 이는 머리 외상으로 인한 계산 모델 외부 실험에서 캐비테이션이 발생한 첫 번째 광경이었습니다. 이 관찰은 이 팬텀의 선회된 기하학적 구조로 인해 가능했으며, 다른 실험 모델에서는 복제할 수 없었던 것입니다. 이 작업에 사용된 뇌 팬텀은 심실강, 엽 차이 및 기타 해부학적 요인을 갖춘 실제 뇌를 완전히 시뮬레이션하지는 않지만 현재의 기하학적 구조를 통해 TBI 메커니즘에 대한 지식에 기여하는 뇌 역학의 시각화를 통해 실험이 가능해졌습니다.