Με την εκκρεμή επιστροφή στις διαστημικές πτήσεις με πλήρωμα μεγάλης διάρκειας, οι αστροναύτες θα αντιμετωπίσουν σημαντικούς κινδύνους από την έκθεση στη διαστημική ακτινοβολία. Οι γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες (GCRs) αποτελούν ιδιαίτερη πρόκληση καθώς δεν θωρακίζονται εύκολα και έχουν ρυθμούς δόσης τόσο υψηλούς όσο 0.5 mGy/ημέρα.
Η παρατεταμένη ακτινοβολία στο κεντρικό νευρικό σύστημα είναι μια σημαντική ανησυχία, τόσο για τη μακροπρόθεσμη υγεία των αστροναυτών όσο και για τη συνολική επιτυχία της αποστολής. Μελέτες σε τρωκτικά έχουν δείξει αλλαγές συμπεριφοράς μετά από έκθεση σε δόσεις ακτινοβολίας τόσο χαμηλές όσο 50 mGy. Οι ασθενείς που υποβλήθηκαν σε θεραπεία με ακτινοθεραπεία παρουσίασαν επίσης γνωστικές και μνημονικές βλάβες, αν και σε πολύ υψηλότερες δόσεις ακτινοβολίας. Αλλά η ακριβής εκτίμηση κινδύνου για τους αστροναύτες είναι δύσκολη, εν μέρει λόγω των τεχνικών προκλήσεων της μίμησης του πεδίου ευρέως φάσματος GCR σε ένα εργαστήριο.
Τα τελευταία χρόνια, το Εργαστήριο Διαστημικής Ακτινοβολίας της NASA χρησιμοποίησε έναν νέο προσομοιωτή GCR (GCRSim) για τα ραδιοβιολογικά της πειράματα. Το φάσμα GCRSim περιλαμβάνει 33 συνδυασμούς ιόντων-ενέργειας και μοιάζει πολύ με το περιβάλλον ακτινοβολίας που θα βιώσουν οι αστροναύτες σε ταξίδια προς τη Σελήνη και τον Άρη.
Τώρα μια ερευνητική ομάδα από Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και Γενικό Νοσοκομείο της Μασαχουσέτης πραγματοποίησε την πρώτη υπολογιστική ανάλυση κλίμακας νανομέτρων του GCRSim σε μια ρεαλιστική γεωμετρία νευρώνων. Η ομάδα ελπίζει ότι οι προσομοιώσεις, που παρουσιάζονται στο Φυσική στην Ιατρική & Βιολογία, θα βοηθήσει τους ερευνητές που εκτελούν πειράματα GCRSim να ερμηνεύσουν βιολογικά δεδομένα.
«Το κίνητρο αυτής της μελέτης ήταν η προσομοίωση της εναπόθεσης ενέργειας που μεταδίδεται σε έναν νευρώνα υπό ρεαλιστικές συνθήκες διαστημικής πτήσης που μπορούν επίσης να αναπαραχθούν κατά τη διάρκεια πειραμάτων ραδιοβιολογίας επίγειας», ο πρώτος συγγραφέας Ιωνάς Πέτρος λέει Κόσμος Φυσικής.
Μοντελοποίηση του νευρώνα
Οι αλλαγές συμπεριφοράς που προκαλούνται από την ακτινοβολία πιστεύεται ότι προκύπτουν εν μέρει από βλάβη στους νευρώνες στον ιππόκαμπο του εγκεφάλου. Ειδικότερα, η ακτινοβολία υπονευρωνικών δομών όπως οι δενδρίτες (διακλαδισμένες προεκτάσεις του νευρικού κυττάρου) και οι δενδριτικές ράχες (μικροσκοπικές προεξοχές από τους δενδρίτες) μπορεί να προκαλέσει γνωστική έκπτωση. Έχοντας αυτό κατά νου, ο Πέτρος και οι συνεργάτες του έκαναν παράσταση σε πυρίτιο ανακατασκευές ενός αντιπροσωπευτικού νευρώνα του ιππόκαμπου, συμπεριλαμβανομένου του σώματος (κυτταρικού σώματος), των δενδριτών και πάνω από 3500 δενδριτικές σπονδυλικές στήλες.
Η ομάδα χρησιμοποίησε προσομοιώσεις Monte Carlo για να μοντελοποιήσει ίχνη σωματιδίων μέσω του νευρώνα για κάθε συνδυασμό ιόντων-ενέργειας GCRSim, ο οποίος περιελάμβανε 14 διαφορετικές ενέργειες πρωτονίων και σωματιδίων άλφα, συν πέντε βαρύτερα ιόντα.
Για όλες τις προσομοιώσεις, η συνολική απορροφούμενη δόση σε ολόκληρο τον νευρώνα κλιμακώθηκε σε 0.5 Gy, η κατά προσέγγιση δόση που βίωσε ένας αστροναύτης κατά τη διάρκεια μιας αποστολής στον Άρη 2-3 ετών και η δόση που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα GCRSim.
Το μοντέλο προέβλεψε απορροφημένες δόσεις στο σώμα, τους δενδρίτες και τις ράχες μετά από ακτινοβολία GCRSim 0.54±0.09, 0.47±0.02 και 0.8±0.5 Gy, αντίστοιχα – αποκλίνοντας από 0.5 Gy λόγω ανομοιογένειας στο προφίλ ακτινοβολίας σε χαμηλή ροή. «Αυτό οδηγεί σε στοχαστικές διακυμάνσεις στην απορροφούμενη δόση, οι οποίες γίνονται πιο εμφανείς για μικρότερες δομές», εξηγεί ο Peter.
Οι ερευνητές ανέλυσαν επίσης την εναπόθεση ενέργειας για τρεις δενδριτικούς τύπους σπονδυλικής στήλης (μανιτάρια, λεπτές και άκαμπτες ράχες). Διαπίστωσαν ότι τα αγκάθια των μανιταριών λαμβάνουν περίπου το 78% της συνολικής εναπόθεσης ενέργειας της σπονδυλικής στήλης λόγω του μεγαλύτερου μέσου όγκου τους, γεγονός που θα μπορούσε να τις θέσει σε μεγαλύτερο κίνδυνο για βλάβη που προκαλείται από την ακτινοβολία.
Εναπόθεση ενέργειας
Λόγω των υψηλών ενεργειών όλων των πρωτογενών ιόντων στο φάσμα GCRSim, κάθε ιόν εναποθέτει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς του στον νευρώνα μέσω δευτερογενών ηλεκτρονίων. Η ομάδα ερεύνησε τις διάφορες φυσικές διεργασίες που σχετίζονται με αυτήν την εναπόθεση ενέργειας και διαπίστωσε ότι η κυρίαρχη συνεισφορά (59%) προήλθε από ιονισμούς. Αυτό είναι σημαντικό, καθώς οι ιονισμοί προκαλούν τη μεγαλύτερη εναπόθεση ενέργειας ανά συμβάν, καθιστώντας τους ιδιαίτερα επιβλαβείς.
Για δόση νευρώνων GCRSim 0.5 Gy, οι προσομοιώσεις προέβλεψαν κατά μέσο όρο 1760±90 συμβάντα εναπόθεσης ενέργειας ανά μικρόμετρο δενδριτικού μήκους, 250±10 από τα οποία ήταν ιονισμοί. Επιπλέον, σημειώθηκαν κατά μέσο όρο 330±80, 50±20 και 30±10 συμβάντα ανά μανιτάρι, λεπτή και στιβαρή ράχη, αντίστοιχα, συμπεριλαμβανομένων 50±10, 7±2 και 4±2 ιοντισμών ανά σπονδυλική στήλη.
Η αξιολόγηση της χωρικής κατανομής των γεγονότων εναπόθεσης ενέργειας στους δενδρίτες αποκάλυψε ότι η έκθεση GCRSim οδηγεί σε ακτινοβολία πρωτονίων όλων των δενδριτικών τμημάτων σε πολύ χαμηλές δόσεις. Η ευρεία ακτινοβολία από σωματίδια άλφα ήταν επίσης πιθανή σε δόσεις σχετικές με τις διαστημικές πτήσεις, ενώ η ακτινοβολία από βαρύτερα ιόντα ήταν σχετικά σπάνια.
«Υπάρχει ακόμη μεγάλη αβεβαιότητα σχετικά με το ποιες πτυχές της ακτινοβολίας GCR είναι τελικά υπεύθυνες για ενδεχόμενες αλλαγές στη γνώση ή τη συμπεριφορά», εξηγεί ο Peter. «Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν ότι η εκτεταμένη ακτινοβολία ακόμη και δομών μικρής κλίμακας όπως οι νευρωνικοί δενδρίτες είναι πιθανή μετά από λίγους μόνο μήνες διαστημικής πτήσης».
Εάν μια τέτοια επαναλαμβανόμενη, εκτεταμένη ακτινοβολία είναι πράγματι ο οδηγός της νευρωνικής δυσλειτουργίας, αυτό μπορεί να σημαίνει ότι οι εκτεταμένες αποστολές στο βαθύ διάστημα είναι δυσανάλογα πιο επικίνδυνες από τις σύντομες παραμονές σε χαμηλή τροχιά της Γης. Ο Peter σημειώνει ότι χρειάζονται περισσότερα πειραματικά δεδομένα, ωστόσο, προτού εξαχθούν οριστικά συμπεράσματα.
Κοσμική πρόκληση: προστασία υπερυπολογιστών από εξωγήινη απειλή
Τέλος, οι ερευνητές συνέκριναν τα αποτελέσματά τους με αυτά που ελήφθησαν χρησιμοποιώντας SimGCRSim, ένα απλοποιημένο φάσμα που χρησιμοποιείται επίσης σε πειράματα της NASA. Διαπίστωσαν ότι τα προφίλ ακτινοβολίας GCRSim 33 ακτίνων και τα προφίλ ακτινοβολίας SimGCRSim 6 ακτίνων παρήγαγαν πολύ παρόμοιες ροές και μοτίβα εναπόθεσης ενέργειας στην κλίμακα ενός νευρώνα.
Ο απώτερος στόχος, λέει ο Peter, είναι να αναπτυχθεί ένα μηχανιστικό μοντέλο νευρωνικής δυσλειτουργίας που προκαλείται από την ακτινοβολία. Το επόμενο βήμα της ομάδας θα είναι να συμπεριλάβει τα αποτελέσματα της ραδιολυτικής χημείας στις προσομοιώσεις και στη συνέχεια, όταν υπάρχουν περισσότερα πειραματικά δεδομένα, να συμπεράνει ποιες φυσικοχημικές ιδιότητες είναι υπεύθυνες για αλλαγές στη βιολογική λειτουργία.
