Pitkäkestoisiin miehitettyihin avaruuslentoihin palaamisen vuoksi astronautit kohtaavat merkittäviä riskejä altistumisesta avaruussäteilylle. Galaktiset kosmiset säteet (GCR) muodostavat erityisen haasteen, koska niitä ei ole helppo suojata ja niiden annosnopeudet ovat jopa 0.5 mGy/vrk.
Keskushermoston jatkuva säteilytys on suuri huolenaihe sekä pitkän aikavälin astronautin terveyden että yleisen tehtävän onnistumisen kannalta. Jyrsijöillä tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet käyttäytymismuutoksia jo 50 mGy:n säteilyannoksille altistumisen jälkeen. Sädehoitoa saaneet potilaat ovat myös kokeneet kognitiivisia ja muistihäiriöitä, vaikkakin paljon suuremmilla säteilyannoksilla. Mutta tarkka riskinarviointi astronauteille on vaikeaa, mikä johtuu osittain teknisistä haasteista, joita liittyy laaja-alaisen GCR-kentän jäljittelemiseen laboratoriossa.
NASA Space Radiation Laboratory on viime vuosina käyttänyt uutta GCR-simulaattoria (GCRSim) radiobiologisiin kokeisiinsa. GCRSim-spektri sisältää 33 ioni-energia-yhdistelmää ja muistuttaa läheisesti säteilyympäristöä, jonka astronautit kokevat matkalla Kuuhun ja Marsiin.
Nyt tutkimusryhmä Harvardin yliopisto ja Massachusetts General Hospital on suorittanut ensimmäisen nanometrin mittakaavan laskennallisen analyysin GCRSim:stä realistisessa neuronigeometriassa. Tiimi toivoo, että simulaatiot, jotka esiteltiin vuonna Fysiikka lääketieteessä ja biologiassa, auttaa GCRSim-kokeita suorittavia tutkijoita tulkitsemaan biologisia tietoja.
"Tämän tutkimuksen motivaatio oli simuloida neuronille siirrettyä energiakertymää realistisissa avaruuslento-olosuhteissa, jotka voidaan toistaa myös maanpäällisten radiobiologisten kokeiden aikana", ensimmäinen kirjoittaja. Joona Pietari kertoo Fysiikan maailma.
Neuronin mallinnus
Säteilyn aiheuttamien käyttäytymismuutosten uskotaan johtuvan osittain aivojen hippokampuksen hermosolujen vaurioista. Erityisesti subneuronaalisten rakenteiden, kuten dendriittien (hermosolun haarautuneiden jatkeiden) ja dendriittisten piikien (pieniä ulkonemia dendriiteistä), säteilytys voi aiheuttaa kognitiivista heikkenemistä. Tätä silmällä pitäen Peter ja kollegat esiintyivät in silico edustavan hippokampuksen neuronin rekonstruktiot, mukaan lukien soma (solurunko), dendriitit ja yli 3500 dendriittikärkeä.
Tiimi käytti Monte Carlo -simulaatioita mallintaakseen hiukkasjäljet neuronin läpi jokaiselle GCRSim-ioni-energia-yhdistelmälle, joka sisälsi 14 erilaista protonia ja alfahiukkasia sekä viisi raskaampaa ionia.
Kaikissa simulaatioissa koko neuronin absorboitunut kokonaisannos skaalattiin arvoon 0.5 Gy, likimääräinen annos, jonka astronautti koki 2–3 vuoden Mars-matkan aikana, ja GCRSim-kokeissa käytetty annos.
Malli ennusti absorboituneet annokset somaan, dendriitteihin ja piikkeihin GCRSim-säteilytyksen jälkeen 0.54±0.09, 0.47±0.02 ja 0.8±0.5 Gy, jotka poikkesivat 0.5 Gy:stä johtuen säteilyprofiilin epähomogeenisuudesta matalalla fluenssilla. "Tämä johtaa absorboidun annoksen stokastisiin vaihteluihin, jotka tulevat näkyvämmiksi pienemmissä rakenteissa", Peter selittää.
Tutkijat analysoivat myös kolmen dendriittisen selkätyypin (sieni-, ohuet ja tyhmät piikit) energiakertymän. He havaitsivat, että sienien piikit saavat noin 78 prosenttia selkärangan kokonaisenergiakertymästä niiden suuremman keskimääräisen tilavuuden vuoksi, mikä saattaa lisätä niille säteilyn aiheuttamien vaurioiden riskiä.
Energian laskeuma
GCRSim-spektrin kaikkien primääri-ionien suurista energioista johtuen jokainen ioni tallentaa suurimman osan energiastaan neuroniin sekundaarielektronien kautta. Ryhmä tutki erilaisia fysikaalisia prosesseja, jotka liittyvät tähän energiakertymään ja havaitsivat, että hallitseva osuus (59 %) tuli ionisaatioista. Tämä on merkittävää, koska ionisaatiot aiheuttavat suurimman energiakertymän tapahtumaa kohden, mikä tekee niistä erityisen haitallisia.
GCRSim-neuroniannoksella 0.5 Gy simulaatiot ennustivat keskimäärin 1760±90 energiakertymätapahtumaa dendriittipituuden mikrometriä kohden, joista 250±10 oli ionisaatioita. Lisäksi tapahtumia oli keskimäärin 330±80, 50±20 ja 30±10 per sieni, ohut ja tynkä selkä, mukaan lukien 50±10, 7±2 ja 4±2 ionisaatiota selkärankaa kohti.
Arviointi energialaskeumatapahtumien spatiaalista jakautumista koko dendriiteissä paljasti, että GCRSim-altistus johtaa kaikkien dendriittisegmenttien protonisäteilytykseen erittäin pienillä annoksilla. Alfahiukkasten laajalle levinnyt säteilytys oli myös todennäköistä avaruuslentojen kannalta merkityksellisillä annoksilla, kun taas raskaampien ionien säteilytys oli suhteellisen harvinaista.
"On edelleen paljon epävarmuutta, mitkä GCR-säteilytyksen osa-alueet ovat viime kädessä vastuussa mahdollisista kognition tai käyttäytymisen muutoksista", Peter selittää. "Tuloksemme viittaavat siihen, että jopa pienimuotoisten rakenteiden, kuten hermosolujen dendriittien, laaja säteilytys on todennäköistä vain muutaman kuukauden avaruuslennon jälkeen."
Jos tällainen toistuva, laajalle levinnyt säteilytys todellakin aiheuttaa hermosolujen toimintahäiriöitä, tämä saattaa tarkoittaa, että pitkät syvän avaruuden tehtävät ovat suhteettoman vaarallisempia kuin lyhyet oleskelut matalalla Maan kiertoradalla. Peter huomauttaa, että tarvitaan kuitenkin lisää kokeellisia tietoja, ennen kuin voidaan tehdä lopullisia johtopäätöksiä.
Kosminen haaste: supertietokoneiden suojaaminen maan ulkopuolelta
Lopuksi tutkijat vertasivat tuloksiaan käyttämällä SimGCRSim, yksinkertaistettu spektri, jota käytetään myös NASAn kokeissa. He havaitsivat, että 33-säteen GCRSim- ja 6-säteen SimGCRSim-säteilytysprofiilit tuottivat hyvin samanlaisia fluensseja ja energian laskeumakuvioita yhden neuronin mittakaavassa.
Lopullinen tavoite, Peter sanoo, on kehittää mekaaninen malli säteilyn aiheuttamasta hermosolujen toimintahäiriöstä. Ryhmän seuraava askel on sisällyttää radiolyyttisen kemian vaikutukset simulaatioihin ja sitten, kun enemmän kokeellisia tietoja on saatavilla, päätellä, mitkä fysikaalis-kemialliset ominaisuudet ovat vastuussa biologisen toiminnan muutoksista.
