创新背景

脑外伤是40岁以下人群慢性残疾的最常见原因，由严重的头部撞击或颠簸造成，通常发生在道路交通事故、摔倒和袭击中。症状包括头痛、头晕、疲劳、易怒和记忆障碍。

从撞击部位开始，机械力以波的形式在大脑中传播，随着损伤的级联，扭曲、拉伸和剪切大脑结构。这些力已知会影响血管，但机械力和血管损伤之间关系的细节还没有被确定下来。

创新过程

帝国理工学院的研究人员创造了一个创伤性脑损伤(TBI)计算机模型，该模型能以迄今为止最高的分辨率绘制小鼠大脑中的血管网络（称为血管系统），并将其纳入了直径仅为10微米的大鼠大脑血管。这项研究于2021年6月21日发表在《科学报告》期刊上，文章题目为“Multiscale modelling of cerebrovascular injury reveals the role of vascular anatomy and parenchymal shear stresses”。

这些模型可以帮助人们更好地理解TBI如何影响血管，以及它对包裹血管的保护层——血脑屏障（BBB）的影响。

利用该模型，研究人员发现相邻血管所承受的压力水平完全不同，这取决于它们与相邻血管的排列。血管与其他血管呈90度角时受损的可能性更小，血管可以拉伸到原来长度的14%而不会受伤，而拉伸超过这个长度就会造成损伤。

血脑屏障保护大脑免受有害循环分子和病原体的伤害。血脑屏障让分子进入大脑的程度被称为渗透性。损伤后，脑屏障的渗透性更强，更容易让促炎分子到达大脑，导致进一步的损伤。

通过使用创伤性脑损伤大鼠模型，研究人员证明，创伤性脑损伤中血脑屏障的通透性增加是由于血管中断，而且这在损伤后很快表现得最为明显。

根据这些信息，研究人员创建了高分辨率的数字大脑模型，以突出血管。他们发现，计算机模型允许他们准确地预测压力在小鼠大脑血管中的分布。这些模型还允许他们放慢时间来更仔细地观察TBI的细节。

研究人员表示，伤害通常发生在几分之一秒内，人们很难观察到底发生了什么。通过减缓这一过程，可以准确地确定大脑的哪个区域受到的损伤最大，并在一定程度上理解原因。

新型高分辨率计算机模拟可以为使用更多的计算机和更少的动物模型研究脑外伤提供一个蓝图，符合动物研究中的替换、减少和细化(3Rs)原则。

这个模型还可以提供一种更客观的方式来评估防护系统，比如头盔。未来的人类研究还需要详细重建创伤性脑损伤的生物力学，以确认这些发现，然后再用它们来预测人类的损伤风险。

此外，对血脑屏障的进一步了解也有助于进一步研究脑特异性药物的药物传递。

创新价值

帝国理工学院的研究团队开发了一种新型的创伤性脑损伤（TBI）机器模型，能够以超高的分辨率绘制大脑中的血管网络。

这个新的机器模型为头部损伤导致脑出血的方式提供了见解，有助于改善脑外伤的诊断和预防。还可以帮助医护人员预测患者的头部损伤导致的脑出血情况，挽救患者的生命。