Розділ четвертий — Коли фізика стає біологією

Яка тривалість мікросекунди?

Це одна мільйонна частина секунди — проміжок часу настільки короткий, що він виходить далеко за межі людського досвіду. Світло проходить приблизно триста метрів за одну мікросекунду. Крила колібрі виглядають абсолютно нерухомими. Камера, здатна зафіксувати звичайні уповільнені кадри, пропустить майже все. Навіть нервові сигнали, що проходять через ваше тіло, не можуть достатньо швидко реагувати на те, що має статися.

Проте вже в перші кілька мільйонних часток секунди після того, як ударна хвиля досягає голови, починають розгортатися події, які можуть визначити стан мозку на роки вперед. [1]

Однією з вражаючих особливостей ураження від вибуху є те, що тіло не має часу захищатися. Якщо хтось завдає удару, м’язи інстинктивно напружуються перед ним. Під час падіння руки простягаються, щоб захистити голову, майже без усвідомлених роздумів. Ці рефлекси еволюціонували протягом мільйонів років, оскільки вони підвищують шанси на виживання. Однак вибухова хвиля поширюється швидше за звук. До того часу, як нервова система усвідомлює, що стався вибух, первинна хвиля надтиску вже досягла тіла й почала передавати енергію живим тканинам. З погляду мозку, травма починається ще до того, як мозок усвідомлює, що щось сталося.³

Перша подія — це не зіткнення, а зміна тиску.

Коли ударна хвиля досягає черепа, вона майже миттєво підвищує тиск на поверхні голови. Ця зміна відбувається настільки швидко, що навколишні тканини не можуть поступово адаптуватися або перерозподіляти силу. Натомість механічна енергія потрапляє в голову у вигляді серії хвиль напруження, які проходять через кістки, спинномозкову рідину та тканини мозку з різною швидкістю. Задовго до того, як голова встигла зміститися більше ніж на кілька міліметрів, ці хвилі тиску вже поширюються через сам мозок. Обчислювальні моделі свідчать, що значні зміни внутрішньочерепного тиску відбуваються, коли голова рухається менш ніж на чотири міліметри — нагадування про те, що найраніші стадії вибухового ушкодження зумовлені не видимим рухом, а швидкою передачею механічної енергії. [1,2]

Щоб зрозуміти, чому це важливо, уявіть, що ви кидаєте камінчик у абсолютно нерухомий ставок.

Вода, найближча до камінчика, рухається першою, створюючи хвилі, що розходяться у всі боки. Поверхня ставка на короткий час перетворюється на ландшафт вершин і западин, де кожна хвиля взаємодіє з навколишніми. Тепер уявіть, що замість води ці хвилі проходять крізь найделікатніші біологічні структури, коли-небудь створені. Мозок — це не жорсткий блок тканини. Це живий орган, що складається з клітин, волокон, рідин і підтримувальних структур, кожна з яких по-різному реагує на проходження цих механічних хвиль.

Інженери описують ці сили за допомогою таких понять, як напруження, деформація та швидкість деформації. Хоча мова звучить технічно, самі ідеї дивовижно інтуїтивні. Напруження — це просто сила, що діє на матеріал. Деформація описує, наскільки цей матеріал змінює форму у відповідь. Швидкість деформації показує темп цієї зміни.

Розгляньмо гумову стрічку. Повільно розтягуйте її — і вона без труднощів подовжується. Якщо різко потягнути, вона набагато ймовірніше порветься. Ступінь розтягнення може бути схожим в обох випадках, але швидкість, з якою воно відбувається, суттєво впливає на поведінку матеріалу.

Тканина мозку підпорядковується тому самому фізичному принципу. [4]

За звичайних умов тканина мозку надзвичайно м’яка й гнучка, здатна впоратися з плавними рухами, пов’язаними з ходьбою, бігом і навіть стрибками. Однак під час вибуху навантаження відбувається настільки швидко, що тканина поводиться зовсім інакше. Замість того щоб реагувати як м’який гель, вона на короткий час поводиться більше як крихкий в’язкоеластичний матеріал. Структури, які зазвичай витримують поступову деформацію, стають вразливими, бо змушені поглинати енергію за надзвичайно короткий час. Висока швидкість деформації вважається однією з визначальних характеристик впливу вибуху й ключовою причиною того, чому ураження від вибуху відрізняються від багатьох видів традиційної тупої травми. [2,3,4]

Сучасні обчислювальні моделі показали, що ці ранні хвилі тиску набагато складніші, ніж колись уявляли вчені. [2,3] Замість того щоб створювати єдину рівномірну силу по всьому мозку, вибух водночас створює кілька видів механічного навантаження. Деякі ділянки зазнають сил стиску, коли тканини стискаються разом. Інші відчувають сили розтягування, коли тканини короткочасно розтягуються. Водночас сусідні структури можуть ковзати одна відносно одної, створюючи зсувні сили, що спричиняють величезне навантаження на мікроскопічні зв’язки між клітинами. Ці різні форми навантаження перекриваються у просторі та часі, створюючи постійно змінне механічне середовище в мозку протягом перших кількох мікросекунд після вибуху.

Найвражаючішим аспектом цього процесу є його неймовірна швидкість.

Перш ніж хтось почує вибух…

Поки він не встигне моргнути…

Поки не сформується хоч одна свідома думка…

Фізичні основи травми вже закладені.

Коли м’язи починають реагувати й тіло віддаляється від вибуху, хвилі тиску вже проходять через мозок, взаємодіють із тканинами різної щільності та запускають механічні події, які незабаром започаткують абсолютно нову фазу травми. Закони фізики виконали свою роботу. Те, що йде далі, належить уже не інженерії, а біології.

І саме біологія визначає, чи стануть ті перші невидимі механічні порушення тимчасовими — чи початком набагато довшої і складнішої історії.

Мозок, який не рухається разом

Якби мозок був вирізаний з одного блоку ідентичного матеріалу, травматичне ушкодження, пов’язане з вибухом, було б набагато легше зрозуміти.

Уявіть, що ви кладете суцільний гумовий м’яч у коробку і вдаряєте молотком по її зовнішній стороні. М’яч рухався б як один об’єкт. Кожна його частина прискорювалася б і сповільнювалася разом, і хоча він міг би трохи деформуватися, сили розподілялися б відносно рівномірно по всій його структурі.