Unfall-Simulation

Schockwellen im Hirn

Schon ein Auffahrunfall mit Tempo 50 kann verheerende Folgen haben: Knallt der Kopf des Fahrers gegen die Windschutzscheibe, rasen Druckwellen durchs Gehirn. Forscher enträtseln jetzt das Schädel-Hirn-Trauma - per Computersimulation.

Wenn von den häufigsten Todesursachen die Rede ist, geht es meist um Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Seuchen. Unter jungen Menschen allerdings gilt etwas anderes als Killer Nummer eins: das Schädel-Hirn-Trauma. Nach Zahlen der Deutschen Gesellschaft für Neurologie erleiden allein in Deutschland jedes Jahr 12.000 bis 16.000 Menschen ein schweres Schädel-Hirn-Trauma, das von Blutungen oder Ödemen, mehr als 24-stündiger Bewusstlosigkeit und hoher Wahrscheinlichkeit von Folgeschäden bis hin zum Tod gekennzeichnet ist. Die psychologische Fakultät der Universität Bielefeld geht gar von mehr als 50.000 schweren Schädel-Hirn-Traumata pro Jahr allein durch Verkehrsunfälle aus.

Sie sind allerdings nicht die einzige Ursache: Auch unter Soldaten sind Hirnschäden, verursacht durch Explosionsschockwellen oder herumfliegende Trümmer, weit verbreitet. Die Sandia National Laboratories der US-Regierung, 1949 eigentlich als Atomwaffenschmiede gegründet, sind angesichts einer Flut von Verwundeten aus dem Irak deshalb ebenfalls in die Erforschung des Schädel-Hirn-Traumas eingestiegen - mit Computersimulationen, wie es auch an anderen Einrichtungen bereits praktiziert wird.

Mit 55 km/h an die Wand

Der Sandia-Computerexperte Paul Taylor und der Neurologe Corey Ford von der University of New Mexico haben Computertomografie-Bilder vom Kopf einer gesunden Frau in die Rechner der Sandia Laboratories eingespeist. Der Scan wurde so bearbeitet, dass Gewebe, Knochen und Rückenmarksflüssigkeit als drei unterschiedliche Materialien berechnet werden konnten. Anschließend ließen die Forscher den virtuellen Schädel in dem Großrechnern der Sandia Laboratories vor eine virtuelle Windschutzscheibe knallen - mit der Wucht, wie sie etwa auftritt, wenn ein Auto mit 55 Stundenkilometern gegen eine Wand fährt und der Insasse nicht angeschnallt ist.

Auf den Bildern und Videos aus dem Modelllauf ist zu sehen, wie sich die Druckwellen in rasender Geschwindigkeit im Kopf ausbreiten. "Die Ergebnisse zeigen, wie komplex die Wellen-Wechselwirkungen zwischen Schädel, Gehirn und Rückenmarksflüssigkeit sind", sagte Taylor. Die Druckwellen durchlaufen demnach bereits das Gehirn, ehe der Schädel selbst durch den Aufschlag in Bewegung gerät. Innerhalb von nur einer Millisekunde nach dem Kontakt mit der Windschutzscheibe könne die Hirnverletzung bereits entstanden sein.

Aufgrund verschiedener Arten der Beanspruchung entstehen unterschiedliche Schäden an den Zellen, glauben die Forscher. Erhöhter Druck könne die innere Struktur von Hirnzellen schädigen. Die durch den Aufprall entstehenden Scherkräfte könnten außerdem die Zellwände und Membrane buchstäblich zerreißen, was zum Absterben der Zellen führe. Beide Phänomene seien wahrscheinlich an den meisten Schädel-Hirn-Traumata beteiligt.

Kein Ersatz für klinische Studien

Die Computermodelle ermöglichten eine Vorhersage, an welchen Stellen im Gehirn die Belastung konzentriert auftrete, erklärte Taylor. "Aber wir müssen noch herausfinden, welches Maß an Beanspruchung zu einem Schädel-Hirn-Trauma führt." Sollte das gelingen, könnten die neuen Erkenntnisse unter anderem zu besserer Schutzkleidung für Sportler, Soldaten und Motorradfahrer führen. Zudem erspare die Modellierung von Hirnverletzungen im Computer entsprechende Tierversuche.

Allerdings sind Computer-Simulationen der Auswirkungen von Schädel-Hirn-Traumata "kein wirklich neuer Ansatz", betont Christian Gerloff, Direktor der Klinik und Poliklinik für Neurologie am Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf. Der Ansatz, die Folgen eines Aufpralls für das Gehirn auf diese Art zu modellieren, würden an mehreren Forschungseinrichtungen weltweit verfolgt.

"Ich denke, wir können auf diese Art sehr viel über die Mechanismen derartiger Hirnschäden lernen", sagte Gerloff zu SPIEGEL ONLINE. "Allerdings erlebt man beim Übergang von der Simulation zur Realität häufig Überraschungen. Daher können die Simulationen sorgfältige klinische Studien nur stützen, aber nicht ersetzen."

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