密闭舱室内爆炸致大鼠失能性脑损伤的神经电生理机制研究

2015-06-28高洁康健毅王丽丽杨策伍亚民李兵仓王建民赖西南

解放军医学杂志 2015年8期

高洁，康健毅，王丽丽，杨策，伍亚民，李兵仓，王建民，赖西南

·军事医学·

高洁，康健毅，王丽丽，杨策，伍亚民，李兵仓，王建民，赖西南

目的探讨密闭舱室内爆炸致大鼠失能性脑损伤的动态变化规律及神经电生理机制。方法68只SD大鼠随机分为正常对照组(n=4)、开阔地爆炸组(OTB组，n=32)和舱室爆炸组(ECB组，n=32)。舱室爆炸组和开阔地爆炸组分别在模拟装甲舱室内和舱外以600mg雷管电起爆，动物距爆点21.5cm。观察大鼠伤前及伤后1、3、5、8、12、24、72h(每个时间点4只大鼠)失能性脑缺血面积和诱发电位的改变。结果舱室内、外爆炸后30min大鼠失能程度均为25%。TTC染色显示开OTB组伤后5h出现肉眼可见脑缺血区域，12h缺血区面积最大，至72h基本恢复正常；ECB组伤后3h即可见缺血区，至72h缺血区仍存在。诱发电位检测显示，ECB组伤后5h体感诱发电位N1波潜伏期延长，伤后8h运动诱发电位N1波潜伏期延长，且感觉变化先于运动变化。结论舱室爆炸致脑失能较开阔地爆炸更早且伤情更重，缺血区域和诱发电位的潜伏期可能与失能性脑损伤相关。

密闭空间；复合冲击波；脑损伤；诱发电位

在现代高技术局部战争中，具有相对密闭、独立空间的作战兵器，如飞机、舰船、装甲车辆等，既是主要的作战单体，也是被攻击的重点目标[1]。目前，针对坦克装甲及防护掩体的三种主要破坏形式即层裂引起的碎片飞散、聚能射流或自锻破片以及长杆弹的侵彻贯穿的防护研究已取得系列进展，但是爆炸造成的强冲击波导致的坦克装甲及防护掩体内人员的失能(即丧失战斗能力)情况尚未引起足够重视。因此，研究模拟战争条件下动物失能的表现有助于揭示伤员继发失能情况，并评估在一定军事打击范围内的失能概率。皮质体感诱发电位(somatosensory evoked potential，SEP)可反映大脑皮质感觉系统的功能状态，其潜伏期变化可能与脑损伤程度密切相关[2]。运动诱发电位(motor evoked potential，MEP)作为检查运动神经系统功能(锥体束及周围神经传导功能)的无创性神经电生理学方法，能通过电流瞬间释放兴奋运动皮质，在脑内产生生物电流，神经冲动沿锥体束、周围神经传导至肌肉，通过接收电极，记录到周围神经的复合电位，通过对潜伏期和波幅的分析判断运动通路的功能状况[3]。本研究通过模拟舱室爆炸，对清醒大鼠脑功能进行研究，观察反映大脑皮质神经元电活动和白质神经纤维传导功能的SEP和MEP某些成分的潜伏期变化，探讨舱室爆炸后脑失能的感觉和运动损伤机制。

1 材料与方法

1.1 主要仪器与试剂等比例缩小模拟装甲运兵车(本单位自制)，Powerlab 16S生理多导仪(澳大利亚AD公司)，冰冻切片机(德国Leica公司)，Wave Book 2/516A数据采集系统、QW550图像分析仪及匹配软件、压力传感器(美国康柏公司)，BH-6显微镜(日本Olympus公司)，银球电极、保护电极。戊巴比妥钠、生理盐水、福尔马林、氯化三苯基四唑。

1.2 方法

1.2.1 动物分组及爆炸模型的建立健康成年SD大鼠68只(第三军医大学实验动物中心提供)，雌雄各半，体重220～270g，随机分为正常对照组(4 只)、开阔地爆炸组(OTB组，32只)、舱室爆炸组(ECB组，32只)，后两组分为伤前及伤后1、3、5、8、12、24、72h共8个时间点，每个时间点4只。ECB组动物置于等比例缩小模拟装甲运兵车内，采用600mg雷管(以DDNP作为起爆药)电起爆，用美国PCB公司压力传感器记录冲击波超压，传至Wave Book 2/516A数据采集系统，用Wave view软件进行记录和分析。清醒大鼠放置于铁笼内，以弹力束带固定于距炸药点21.5cm处，爆炸后迅速打开舱室窗户排烟以避免吸入烟雾。OTB组动物在无任何遮障空间即开阔地接受爆炸，数据采集同上。正常对照组不做任何处理，待大鼠安静30min后直接采集数据。

1.2.2 失能评判动物失能评判以现场观察为主，主要采用盲法让观察者查看爆炸伤后动物的一般生理行为并评分，以反映伤后30min内的失能情况，具体标准如下[4-7]：①睁眼。自行睁眼计3分，经手压眶上裂刺痛可睁眼计2分，不能睁眼计1分；②站立。动物在爆炸现场可自行站立计4分，手压眶上裂有刺痛反应但仍正常站立计3分，手压眶上裂有刺痛反应却站立不稳计2分，不能站立计1分；③运动。自行行走、奔跑计5分，手压眶上裂有刺痛反应可行走但不愿意动或者活动减少计4分，手压眶上裂有刺痛反应能运动但不能行走计3分，手压眶上裂有刺痛反应并有躲避反应不能行走计2分，手压眶上裂有刺痛反应无肢体活动计1分；④饮水或进食。给食物和饮用水时，如果动物可以自由饮水或主动进食计3分，不能饮水或进食计1分。

1.2.3 SEP和MEP的测定分别在伤后1、3、5、8、12、24、72h等时间点测定各组大鼠的SEP和MEP，每组大鼠测定4只。动物头部固定于脑立体定向仪，在爆炸侧前囟部位做一小切口，暴露颅骨，将银球记录电极固定于前囟后方、中线旁侧2mm处颅骨上，引导皮质SEP，参考电极置于头部切口皮肤上[5-6]，刺激保护电极固定于对侧坐骨神经远端，地线置于鼠尾，给予单脉冲刺激，应用Powerlab/16s生物数据采集系统(澳大利亚ADI公司)记录数据。刺激参数为波宽200µs，强度3mA，延时2ms，周期200ms，叠加128次。测定MEP时，将刺激电极置于前囟前方1mm、中线旁侧0.5mm处颅骨上，记录电极置于腓肠肌(与参考电极相距离1mm)，地线置于鼠尾，刺激强度5mA，其余参数同SEP。

1.2.4 大鼠失能性脑缺血面积测定各组大鼠于相应时间点麻醉后断头取脑，置于冰生理盐水(4℃) 中30min，取出后以滤纸吸干表面水分，自前囟处行片厚3mm连续切片，共12片，将切片置于2%氯化三苯基四唑(TTC)溶液中，37℃避光孵育30min，4%甲醛溶液固定过夜，观察染色结果，正常脑组织为红色，缺血区为白色。照相后以SPOT软件分析、计算缺血面积。

1.3 统计学处理采用SPSS 11.0软件进行统计分析。计量资料以表示，确认为正态分布后行单因素方差分析，进一步两两比较采用SNK-q检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 开阔地和密闭舱室爆炸冲击波压力参数在距离炸药21.5cm处放置传感器测定数据6次后取平均值。与OTB组比较，ECB组冲击波物理参数表现为峰值压力持续时间长(14.000±2.200msvs0.605±0.048ms)，最大压力上升时间快(0.017±0.010msvs0.060±0.008ms)，差异有统计学意义(P<0.01)，但两组最大峰值压力(141±14kPavs137±29kPa)比较差异无统计学意义(P>0.05)。OTB组波形表现为冲击波压力快速升高达到峰值，紧接着快速衰减至略低于周围水平，然后恢复到周围正常压力水平(图1A)，ECB组冲击波压力-时间波形图表现为复杂冲击波波形，重复出现超压、负压(图1B)。

图1 爆炸波压力波形模拟图Fig. 1 The waveform of blast recorded at 21.5cm from the chargeA. The simulating wave of blast in the open field; B. The simulating wave of blast in mini cabin

表1 大鼠伤后脑缺血面积(mm2，±s，n=4)Tab. 1 Infarction area of rats' brain after explosion (mm2,±s,n=4)

(1)P<0.01compared with control group; (2)P<0.01compared with OTB group

Time after explosion (h) Control group OTB group ECB group 1 0 17.68±0.89(1) 23.33±0.89(1)(2)3 20.33±0.67(1) 26.33±1.45(1)(2)5 24.00±1.00(1) 27.67±0.33(1)(2)8 27.33±0.89(1) 34.33±1.21(1)(2)12 22.67±0.89(1) 33.67±0.83(1)(2)24 20.67±0.33(1) 31.33±0.33(1)(2)72 19.67±0.67(1) 29.33±0.89(1)(2)

表2 两组大鼠伤后SEP中N1波潜伏期比较(ms，±s，n=4)Tab. 2 Comparison of negative potential 1 of sensory evoked potential after explosion (ms,±s,n=4)

(1)P<0.05 compared with control group; (2)P<0.01 compared with control group; (3)P<0.01compared with OTB group

Time after explosion (h) Control group OTB group ECB group 1 12.33±1.46 13.26±0.47 13.33±0.52 3 12.75±0.65 13.10±0.71 5 14.69±1.59 15.75±1.90(2)8 12.97±0.32 13.70±0.91 12 14.62±0.26(1) 16.93±0.26(2)(3)24 12.53±0.53 17.27±0.57(2)(3)72 12.23±0.25 16.51±0.56(2)(3)

2.2 大鼠行为失能特点 600mg DDNP瞬时电雷管爆炸后，位于开阔地空间和舱室密闭空间的清醒大鼠遭受冲击波。密闭舱室内大鼠因被惊吓或压力抛掷作用导致体位变动，30min后行为失能评估结果为自行睁眼(3分)，自行站立(4分)，自行爬走、奔跑(5分)，但不饮水或进食，评分为12分，失能程度为25%。开阔地组行为失能表现与舱室组无差别。

2.3 大鼠伤后脑缺血情况评估 TTC染色肉眼观察结果显示，OTB组大鼠在伤后5h颞叶出现缺血区，伤后8h脑颞叶、尾状核区缺血并出现肿胀，对侧组织呈粉白色，12h颞叶区呈粉色，尾状核区为白色，至伤后24h可见颞叶下侧区域为粉色，72h全脑基本正常。ECB组伤后1h可见颞叶区呈粉色，3h颞叶区呈现大面积红-白过渡色，5h后可见全脑呈红-白色缺血灶，8h可见颞叶、顶叶、尾状核区为白色缺血区，12h呈过渡性粉色，24h粉色区域缩小，72h后尾状核呈现正常红色。伤后各时间点各组脑缺血面积比较见表1。

2.4 大鼠伤后SEP潜伏期变化情况 OTB组伤后P1、N1、P2波的波幅均有所下降，波形较恒定，在伤后5h N1波潜伏期延长，但差异无统计学意义，12h潜伏期延长最明显，波形变宽，可延续到伤后24h，至72h基本恢复正常。ECB组伤后3h SEP波形出现异常，有延长变形，伤后5、8h可见N1波平坦，12、24h可见异常，到伤后24h N1波潜伏期明显延长至最大(17.27±0.57ms)，72h波形基本恢复，潜伏期也缩短为16.51±0.56ms(表2)。

2.5 大鼠伤后MEP潜伏期两组大鼠伤后各时间点MEP N1波潜伏期均较对照组缩短，且波形有变异，其中OTB组在伤后3、8h潜伏期与对照组相比缩短(P<0.05，P<0.01)，ECB组在伤后3、5、8h和12h与对照组相比分别出现缩短和延长(P<0.05，P<0.01)。OTB组MEP N2波潜伏期在伤后3、5h和72h与对照组相比分别出现缩短和延长(P<0.05，P<0.01)，而ECB组在伤后1、5、24h和8、12、72h与对照组相比分别出现缩短和延长(P<0.05，P<0.01，表3)。

表3 两组大鼠伤后MEP中N1、N2波潜伏期比较(ms，±s，n=4) Tab. 3 Comparison of negative potential 1 and 2 of motion evoked potential after explosion (ms,±s,n=4)

(1)P<0.05 compared with control group; (2)P<0.01 compared with control group; (3)P<0.01compared with OTB group

Time after explosion (h) N1 12.90±2.42 11.90±2.95(2)3 4.32±0.20(2) 4.48±0.34(2) 12.86±1.23(1) 13.30±1.75 5 6.67±0.29 6.27±0.62(1) 9.50±0.10(2) 9.37±0.08(2)8 5.58±0.40(1) 6.19±0.52(1) 14.31±1.45 18.42±3.14(2)(3)12 8.59±0.36 8.63±0.25(1) 16.90±1.10 19.69±1.90(2)(3)24 6.88±0.29 6.83±0.23 13.61±0.74 13.69±0.74(1)72 8.45±0.21 8.89±0.26 18.77±0.77(1) 22.91±1.20(2)(3)N2 Control group OTB group ECB group Control group OTB group ECB group 1 8.22±0.50 7.88±1.95 8.50±1.5715.58±0.99

3 讨论

随着军事战略战术的转变，具有多因素、多途径、多杀伤效应的爆炸性武器在现代战争中得到广泛应用，其失能效应是指暂时使人中枢神经活动或躯体功能紊乱，在一段时间内失去战斗能力，不会造成死亡或引起持久性伤害[8-9]。带有相对密闭独立空间的作战兵器诸如飞机、舰船、装甲车辆等，是重要的作战单体和被攻击目标，因而其驾乘人员非战死性失能的影响日益受到关注。为此，本研究采用模拟装甲运兵舱内爆炸，分析一般行为功能状态和脑伤情特点，通过诱发电位探讨爆炸后脑失能的电生理机制。

模拟舱室即密闭空间中清醒大鼠在爆炸后30min内，按照军事现场评估失能情况(主要包括自主运动，脑神经系统反应诸如睁眼，疼痛感，以及相对高级的功能如饮水和进食欲望)，结果显示，两组大鼠肢体自主运动功能均正常，但是饮水、进食欲望暂时消失，表现为部分失能。应用TTC染色评估脑损伤情况，结果显示ECB组于伤后短时间内出现缺血，从颞叶区逐渐蔓延，到8h缺血面积达峰值，随后逐渐吸收、恢复，至伤后72h虽然缺血区域有自行吸收缩小趋势，但仍存在一定范围的缺血，因此可能对后续的失能表现有直接影响。

SEP可反映刺激点到皮质上行传导通路及感觉运动皮质的电生理活动状态，具有良好的定位定性作用，适用于脑功能障碍程度的客观评定。本研究结果显示，两组大鼠SEP潜伏期均有不同程度变化，且ECB组在伤后表现为潜伏期延长。SEP中N1波起源为感觉运动皮质、大脑皮质第V层中的锥体细胞，反映突触后神经细胞的兴奋性[10]，其潜伏期反映了白质神经纤维的传导功能状态。MEP是应用电刺激皮质运动区产生兴奋，使脊髓前角细胞或周围神经运动纤维去极化，在相应肌肉或神经表面记录到的电位，能客观评估脑损伤后的运动功能缺损[11]。本研究观察到两组大鼠在爆炸后5h即出现MEP N1波潜伏期延长，而N2波的潜伏期仅在ECB组伤后72h出现延长，且两组大鼠MEP的N1、N2波潜伏期有所延长、波幅低平。在临床诊断中，MEP N2波变化程度与病情严重程度直接相关。研究认为，MEP对脑缺血非常敏感，其异常与病变部位密切相关，MEP异常以基底节内囊区病变最高，额顶叶病变次之，然后是丘脑病变[8]。本研究中TTC染色显示爆炸后缺血高峰期缺血部位主要在颞、顶、枕、尾状核区域，故MEP变化与缺血改变基本一致，提示MEP是一种可以接受的脑功能障碍(含失能性脑改变)定量评估方法。

在密闭空间或有障碍物的环境下，固壁反射和物体位移使爆炸冲击波波形变化复杂，但冲击波波形仍有一个主超压峰，其后续有多个小超压峰叠加，当平均总压力低于大气压后，压力上下波动而形成系列脉冲波[12]。由于周壁和其他物体表面的反射效应，传递给受害物的冲击波能量更多，原发冲击伤发生率更高、伤情更重。有文献报道，坦克乘员受伤一般是几种致伤物理因素综合作用的结果，这些物理因素包括破片、冲击波、温度和有害气体等，因此损伤表现为复合伤[13]，而复合伤并非多种致伤因素的简单叠加，而是具有相互加重损伤的效应。本课题组前期观察了动物胸腹、肢体的局部爆炸伤以及脑作为远隔器官的损伤效应，但是结合前期关于舱室爆炸后肺损伤动态变化规律的研究结果[14]，笔者认为本实验中ECB组伤后短期内(3d)脑组织失能性损伤可能仍然是密闭空间内的直接压力传递效应所致。

综上所述，爆炸后清醒动物脑损伤可表现出部分失能效应，短时间内感觉功能传递受损，运动功能损伤并不严重，与OTB组比较，ECB组脑失能效应出现较早、程度较重。有鉴于此，笔者建议军事训练中应该做好作训失能的防护，同时临床救治也应关注爆炸伤后战士的失能效应，尽早进行脑诱发电位的及时监控，以有利于及时评估战伤后的失能效应，避免由于脑损伤引发后续的抑郁、焦虑、冲动、攻击等人格异常以及造成记忆受损和睡眠障碍等精神异常。

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Neuroelectrophysiological mechanism of disabling brain injury resulting from exposure of rat to blast in a tightly closed compartment

GAO Jie, KANG Jian-yi, WANG Li-li, YANG Ce, WU Ya-min, LI Bing-cang, WANG Jian-min, LAI Xi-nan*
State Key Laboratory of Trauma, Burns and Combined Injury, Institute of Surgery Research, Daping Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400042, China
*< class="emphasis_italic">Corresponding author, E-mail: laixinan@163.com

, E-mail: laixinan@163.com
This work was supported by the Special Project of Medical Science Development of PLA (BWS13L019)

ObjectiveTo explore the dynamic changes in disabling brain injury in a closed compartment, and its underlying neuroelectrophysiological mechanism after exposure of rats to blast.MethodsSixty-eight SD rats were randomly divided into control group, OTB group ( blast in an open space), and ECB group (blast in a tightly closed compartment). ECB and OTB groups were exposed to blast in a closed chamber simulating the cabin of an armored vehicle and OT (outside of the cabin) with 600-mg detonator electric blasting and 21.5-cm away from the detonating point. The changes of disabled ischemic area of the brain and evoked potential before and 1, 3, 5, 8, 12, 24h and 72h after the blast injury were observed.ResultsThe incapability score of ECB and OTB rats reached the same level (25%). With 3, 5-triphenyltetrazolium chloride staining, it was found that the infarct area in OTB group appeared 5h after explosion, reaching the climax at 12h, and disappearing at 72h. In the ECB group, the area of infarct appeared 3h after injury, and still existed till 72h after injury. In ECB group, the N1 latency of sensory evoked potential (SEP) and motor evoked potential (MEP) was longer than that of control group 5 and 8 hours after explosion respectively, and the changes in sensation appeared earlier than those of motor function.ConclusionsThe blast wave in EC shows a characteristic of a complex blast wave, and its damage to the brain can be more severe, which is caused more by ECB than by OTB. The size of infarct area and latency of evoked potential might contribute to the brain incapability.

confined spaces; complex wave; brain injuries; evoked potentials

R826

0577-7402(2015)08-0666-05

10.11855/j.issn.0577-7402.2015.08.13

2014-09-27；

2015-06-29)

(责任编辑：胡全兵)

全军医学科研重点项目(BWS13L019)

高洁，医学博士，副研究员。主要从事创伤应激的相关研究

400042 重庆第三军医大学大坪医院野战外科研究所，创伤烧伤与复合伤国家重点实验室(高洁、康健毅、王丽丽、杨策、伍亚民、李兵仓、王建民、赖西南)

赖西南，E-mail：laixinan@163.com