Medindo vibrações em um cérebro biofiel usando nanogerador de ferroeletreto

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8975 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Nosso conhecimento da lesão cerebral traumática tem crescido rapidamente com o surgimento de novos marcadores que apontam para várias alterações neurológicas que o cérebro sofre durante um impacto ou qualquer outra forma de evento concussivo. Neste trabalho, estudamos a modalidade de deformações em um sistema cerebral biofiel quando sujeito a impactos contundentes, destacando a importância do comportamento dependente do tempo das ondas resultantes que se propagam pelo cérebro. Este estudo é realizado usando duas abordagens diferentes envolvendo óptica (Particle Image Velocimetry) e mecânica (sensores flexíveis) no cérebro biofidélico. Os resultados mostram que o sistema possui uma frequência mecânica natural de \(\sim\) 25 oscilações por segundo, o que foi confirmado por ambos os métodos, apresentando uma correlação positiva entre si. A consistência desses resultados com a patologia cerebral relatada anteriormente valida o uso de qualquer uma das técnicas e estabelece um mecanismo novo e mais simples para estudar as vibrações cerebrais usando patches piezoelétricos flexíveis. A natureza viscoelástica do cérebro biofiel é validada pela observação da relação entre ambos os métodos em dois intervalos de tempo diferentes, usando a informação da tensão e tensão dentro do cérebro da Velocimetria de Imagem de Partículas e sensor flexível, respectivamente. Uma relação tensão-deformação não linear foi observada e justificada para sustentar a mesma.

O traumatismo cranioencefálico (TCE) tem sido uma das principais causas de morte ou incapacidade em todo o mundo1. A incidência de TCE em jogadores de futebol do ensino médio pode ser duas vezes maior devido à subnotificação por falta de consciência ou desejo de continuar jogando2. Mesmo uma forma mais branda de TCE (também conhecida como concussão) foi reconhecida como um sério problema de saúde devido aos seus efeitos de longo prazo3 e sua ligação com a encefalopatia traumática crônica (CTE), Alzheimer e doença de Parkinson4. Isso criou uma necessidade premente de entender melhor e prevenir esse tipo de lesão. O Centro de Controle e Prevenção de Doenças (CDC)5, define uma concussão como um tipo de lesão cerebral traumática (ou TCE) causada por uma pancada, golpe ou solavanco na cabeça ou por um golpe no corpo que faz com que a cabeça e cérebro se mova rapidamente para frente e para trás. Mesmo impactos de baixa magnitude podem causar danos cerebrais graves, se a onda que se propaga pelo cérebro tiver componentes de frequência dentro da faixa de 20 e 40 Hz6. Assim, é importante entender as implicações da magnitude do impacto, bem como seu comportamento dependente do tempo – ou seja, os componentes de frequência das ondas de pressão geradas pelo impacto. O cérebro pode ser visto como um meio viscoelástico com geometria complexa e intrincada. Um impacto no crânio cria ondas viajantes que se propagam em diferentes frequências e velocidades, pois a composição não é homogênea. Isso pode criar concentrações de tensão localizadas e dependentes do tempo em certas regiões do cérebro. Assim, a compreensão da dinâmica temporal do cérebro após o impacto é vital para determinar a gravidade de uma colisão e suas consequências duradouras. Para este fim, a modelagem do cérebro tem sido pesquisada desde a década de 1940, quando Holbourn propôs que o cérebro pode ser modelado como um sistema mecânico com entrada na forma de movimento da cabeça e deslocamento do cérebro como uma saída7. Ele também afirma que, conhecendo as propriedades físicas do cérebro, o comportamento após um golpe pode ser estudado usando as leis do movimento de Newton. Desde então, as lesões cerebrais têm sido caracterizadas pelas assinaturas cinemáticas da cabeça, como o trabalho de Ommaya e Gennarelli que indica que a lesão cerebral é proporcional ao pico de aceleração e à duração do pico8. Isso levou ao desenvolvimento de métricas como a Curva de tolerância do estado de Wayne (WSTC)9, o Índice de gravidade de Gadd (GSI)10 e os Critérios de lesões na cabeça (HIC)11. Avanços recentes nas técnicas de imagem, como a imagem por tensor de difusão (DTI), mostraram que há alterações na substância branca do cérebro, mesmo no caso de impactos repetitivos menores (ou seja, não concussivos)12. Essas alterações são resultado do estiramento excessivo dos axônios que, por sua vez, os danifica13. Também há evidências que sugerem que a tensão em regiões profundas do cérebro com alta densidade de fibras axônicas se correlaciona fortemente com comprometimento cognitivo ou concussão14. Estudos mostraram que as deformações cerebrais (tensão) têm forte dependência da frequência do carregamento de entrada15, com ondas de cisalhamento penetrando mais profundamente no cérebro em frequências mais baixas. Recentemente, Laksari et al. publicaram um experimento de impacto baseado em cadáver que identifica o pico de movimento cerebral relativo em torno de 20 Hz6 e também derivou as características espaço-temporais do cérebro durante impactos de cabeça usando técnicas de decomposição de modo16. Isso envolveu o uso da decomposição do modo dinâmico nos deslocamentos nodais do cérebro, onde foi descoberto que as amplitudes do deslocamento modal e as tensões de pico no cérebro têm frequências na faixa de 20 a 40 Hz. Essa variação relativamente ampla se deve à não homogeneidade do cérebro, uma vez que diferentes partes do cérebro têm diferentes propriedades físicas. Este trabalho também usa análise modal para entender a principal diferença entre os casos de impacto na cabeça que levam à perda de consciência e os que não. O principal interesse deste trabalho é entender a frequência das vibrações definidas no cérebro humano após um impacto contundente. Para estudar a frequência das vibrações que são desencadeadas no cérebro após um impacto contundente, usamos um substituto do cérebro desenvolvido por uma equipe de pesquisadores da Michigan State University17. Este modelo de sistema cerebral biofiel, também chamado de fantasma, tem sido usado em vários experimentos para estudar possíveis mecanismos de lesão de um TCE. O fantasma foi conceituado pela primeira vez por Miller et al. onde eles realizaram simulações computacionais no modelo para estudar as correlações da sobrepressão da explosão com o TBI. Sua representação tridimensional consiste em um modelo simplista e idealizado de um cérebro humano conforme mostrado nas Fig. 1b e c. Este modelo demonstra as características gerais de tamanho do cérebro humano com as interações dos sulcos e giros (dobras e sulcos). Este fantasma foi revisado e verificado por um neurologista certificado que confirmou a semelhança fenomenológica com um cérebro real18. O modelo computacional foi capaz de mostrar maiores deformações nas interfaces e dobras cerebrais, corroborando a hipótese de que o blast TBI causa mais dano nos sulcos e giros18. Para construir um fantasma cerebral adequado para experimentos, Wermer et al. estudaram diferentes materiais para determinar o melhor representante biofílico da matéria cerebral. Seu estudo incluiu poliacrilamida (PAA), pele/osso bovino e gelatina balística, nas quais realizaram testes mecânicos de tensão, compressão e cisalhamento. Estas propriedades mecânicas foram comparadas com valores da literatura para tecido cerebral humano e suíno. O PAA foi considerado preferível para simular o tecido cerebral devido às suas múltiplas propriedades de material e facilidade de fabricação19. Utilizando esta gelatina e a geometria acima mencionada, Kerwin et al. realizaram um estudo experimental onde o substituto da cabeça foi colocado em uma placa flexível e submetido a um impacto contundente e cavitação presumida (criação e colapso de bolhas de vapor no líquido) foi observada entre os sulcos do cérebro. Esta foi a primeira visão de cavitação em um experimento fora de modelos computacionais devido a traumatismo craniano. Essa observação foi possível devido à geometria giratória desse fantoma, algo que outros modelos experimentais não conseguiram replicar17. Embora o fantoma cerebral utilizado neste trabalho não simule totalmente um cérebro real com cavidades ventriculares, diferenças de lobos e outros fatores anatômicos, sua geometria atual tem possibilitado experimentos com visualização da mecânica cerebral que contribuem para o conhecimento dos mecanismos do TCE.