Unser Gehirn kann zehnmal leichter splittern als Polystyrolschaum

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Das menschliche Gehirn ist mit seiner Physiologie und Biologie eines unserer „völlig“ ungelösten Organe. Es birgt noch immer viele Geheimnisse. Weich wie Kuchen, aber gleichzeitig sehr stark. Laut einer neuen Studie der Universität Cardiff bricht das Gehirn zehnmal leichter als Polystyrolschaum.

In der 197. Ausgabe des Journal of Royal Society Interface veröffentlicht, entwickelten Nicholas Bennion und sein Team in der Studie eine Methode, um die physischen Eigenschaften des Gehirns lebender Menschen besser zu verstehen.

Wie ursprünglich von New Scientist berichtet, bestimmten sie verschiedene Materialeigenschaften des Gehirns und der Gewebe, die es mit dem Schädel verbinden, indem sie einen maschinellen Lernalgorithmus mit MRT-Scans von Patienten kombinierten, die mit dem Gesicht nach unten und dann mit dem Gesicht nach oben lagen, um die Platzierung des Gehirns im Kopf zu verschieben Schädel. Sie haben die Fähigkeit des Gehirns gemessen, unter Druck zusammenzubrechen, wie es auf seitlichen Druck reagiert und wie federnd das Bindegewebe ist.

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„Wenn man ein Gehirn nimmt, das in keiner Weise konserviert wurde, ist seine Steifheit unglaublich gering und es bricht sehr leicht auseinander. Und es ist wahrscheinlich viel weicher, als die meisten Leute denken“, sagt Bennion.

Bennion und sein Team fanden heraus, dass Gehirn nicht nur weicher als Polystyrolschaum ist, sondern auch 1.000-mal weniger widerstandsfähig gegen seitlichen Druck ist als Gummi, wodurch es so biegsam ist wie ein Stück Gelatine.

Die MRT-Studie wurde laut Studie in Zusammenarbeit mit dem Cardiff University Brain Imaging Research Centre an 11 Probanden (sieben Männer, vier Frauen) im Alter zwischen 22 und 30 Jahren durchgeführt. Um sicherzustellen, dass sich das Gehirn nach 20 Minuten Vorkonditionierung mit dem Gesicht nach unten vollständig entspannt hatte, wurde nur ein Foto in Bauchlage aufgenommen. Anschließend wurden die Probanden erneut gescannt, nachdem sie in die typische Rückenlage gebracht worden waren.

Die Bilder in Bauch- und Rückenlage wurden zunächst nur mithilfe der affinen Registrierung des Schädels ausgerichtet, um die Verschiebung über das Großhirn zu messen. Anschließend wurde ein Vektorverschiebungsfeld über das gesamte Volumen im Raum des einzelnen Subjekts durch verformbare Registrierung der Bilder in Bauch- und Rückenlage erzeugt.

Mithilfe präoperativer MRT-Scans möchte das Team sein Modell nutzen, um Gehirnveränderungen vorherzusagen, die während der Operation bei jedem einzelnen Patienten auftreten werden. Dies kann Operationen weniger invasiv machen, da die Notwendigkeit entfällt, Werkzeuge wiederholt in das Gehirn zu implantieren, bis sie die richtige Stelle gefunden haben.

Studienzusammenfassung:

Die computergestützte Modellierung des Gehirns erfordert eine genaue Darstellung der betroffenen Gewebe. Mechanische Tests stellen zahlreiche Herausforderungen dar, insbesondere bei niedrigen Belastungsraten, wie etwa in der Neurochirurgie, wo die Umverteilung von Flüssigkeit biomechanisch wichtig ist. In FEBio wurde ein Finite-Elemente-Modell (FE-Modell) erstellt, das eine Darstellung der Wechselwirkung zwischen Federelement und Flüssigkeit und Struktur des Pia-Arachnoidal-Komplexes (PAC) enthält. Das Modell wurde so belastet, dass es die Schwerkraft in Bauch- und Rückenlage darstellt. Die Identifizierung der Materialparameter und die Sensitivitätsanalyse wurden mithilfe von Statistiksoftware durchgeführt und die FE-Ergebnisse mit In-vivo-Messungen am Menschen verglichen. Die Ergebnisse für die Gehirn-Ogden-Parameter µ, α und k ergaben Werte von 670 Pa, −19 und 148 kPa, was die in der Literatur angegebenen Werte stützt. Für die Steifigkeit der Pia mater und die Zugsteifigkeit außerhalb der Ebene des PAC wurden Werte in der Größenordnung von 1,2 MPa bzw. 7,7 kPa erhalten. Es wurde festgestellt, dass die Positionsverschiebung des Gehirns nicht starr ist und größtenteils durch die Umverteilung von Flüssigkeit im Gewebe verursacht wird. Nach unserem besten Wissen ist dies die erste Studie, die In-vivo-Daten des Menschen und die Schwerkraftbelastung nutzt, um die Materialeigenschaften von intrakraniellen Geweben abzuschätzen. Dieses Modell könnte nun angewendet werden, um die Auswirkungen der Positionsverschiebung des Gehirns in der stereotaktischen Neurochirurgie zu reduzieren.