עם החזרה הממתינה לטיסות חלל ארוכות טווח, אסטרונאוטים יתמודדו עם סיכונים משמעותיים מחשיפה לקרינה בחלל. קרניים קוסמיות גלקטיות (GCRs) מהוות אתגר מסוים מכיוון שהן אינן מוגנות בקלות ויש להן שיעורי מינון גבוהים של 0.5 mGy/יום.
הקרנה מתמשכת למערכת העצבים המרכזית היא דאגה גדולה, הן לבריאות האסטרונאוטים לטווח ארוך והן להצלחת המשימה הכוללת. מחקרים במכרסמים הוכיחו שינויים התנהגותיים בעקבות חשיפה למינוני קרינה נמוכים עד 50 mGy. מטופלים שטופלו בהקרנות חוו גם ליקויים קוגניטיביים וזיכרון, אם כי במינוני קרינה גבוהים בהרבה. אבל הערכת סיכונים מדויקת עבור אסטרונאוטים היא קשה, בין היתר בשל האתגרים הטכניים של חיקוי תחום ה-GCR רחב הספקטרום במעבדה.
בשנים האחרונות, מעבדת קרינת החלל של נאס"א השתמשה בסימולטור GCR חדש (GCRSim) על הניסויים הרדיוביולוגיים שלה. ספקטרום GCRSim כולל 33 שילובי יונים-אנרגיה ודומה מאוד לסביבת הקרינה שאסטרונאוטים יחוו במסעות לירח ולמאדים.
עכשיו צוות מחקר מ אוניברסיטת הרווארד ו בית החולים כלליים מסצ'וסטס ביצעה את הניתוח החישובי הראשון בקנה מידה ננומטר של GCRSim בגיאומטריית נוירונים מציאותית. הצוות מקווה שהסימולציות, שהוצגו ב פיזיקה ברפואה וביולוגיה, יסייע לחוקרים המבצעים ניסויי GCRSim לפרש נתונים ביולוגיים.
"המניע למחקר זה היה לדמות את שקיעת האנרגיה המוענקת לנוירון בתנאי טיסה מציאותיים, שניתן לשכפל גם במהלך ניסויי רדיוביולוגיה קרקעיים", המחבר הראשון יונה פיטר אומר עולם הפיזיקה.
מודלים את הנוירון
ההערכה היא ששינויים התנהגותיים הנגרמים על ידי קרינה נובעים בחלקם מנזק לנוירונים בהיפוקמפוס של המוח. במיוחד, הקרנה של מבנים תת-עצביים כגון דנדריטים (הרחבות מסועפות של תא העצב) ועמודי שדרה דנדריטים (בליטות זעירות מהדנדריטים) עלולה לגרום לירידה קוגניטיבית. עם זאת בחשבון, פיטר ועמיתיו הופיעו בסיליקו שחזורים של נוירון היפוקמפוס מייצג, כולל הסומה (גוף התא), דנדריטים ומעל 3500 קוצים דנדריטים.
הצוות השתמש בסימולציות של מונטה קרלו כדי לדגמן מסלולי חלקיקים דרך הנוירון עבור כל שילוב יון-אנרגיה GCRSim, שכלל 14 אנרגיות שונות של פרוטונים וחלקיקי אלפא, בתוספת חמישה יונים כבדים יותר.
עבור כל ההדמיות, המינון הכולל שנקלט על פני כל הנוירון הוגדל ל-0.5 Gy, המינון המשוער שחווה אסטרונאוט במהלך משימת 2-3 שנים במאדים, והמינון המשמש בניסויי GCRSim.
המודל חזה מינונים נספגים לסומה, לדנדריטים ולעמוד השדרה לאחר הקרנת GCRSim של 0.54±0.09, 0.47±0.02 ו-0.8±0.5 Gy, בהתאמה - חריגה מ-0.5 Gy עקב אי-הומוגניות בפרופיל ההקרנה בשפעת נמוכה. "זה מוביל לתנודות סטוכסטיות במינון הנספג, שהופכות לבולטות יותר עבור מבנים קטנים יותר", מסביר פיטר.
החוקרים ניתחו גם את שקיעת האנרגיה עבור שלושה סוגי עמוד שדרה דנדריטיים (פטריות, קוצים דקים וקשוחים). הם גילו כי קוצי פטריות מקבלים כ-78% מסך האנרגיה של עמוד השדרה בשל נפחם הממוצע הגדול יותר, מה שעלול להעמיד אותם בסיכון גבוה יותר לנזק שנגרם כתוצאה מקרינה.
שקיעת אנרגיה
בשל האנרגיות הגבוהות של כל היונים הראשוניים בספקטרום GCRSim, כל יון מפקיד את רוב האנרגיה שלו לנוירון באמצעות אלקטרונים משניים. הצוות חקר את התהליכים הפיזיקליים השונים הקשורים בתצהיר אנרגיה זה ומצא כי התרומה הדומיננטית (59%) באה מיונים. זה משמעותי, שכן יינון גורם לתצהיר האנרגיה הגדול ביותר לכל אירוע, מה שהופך אותם למזיקים במיוחד.
עבור מינון נוירון GCRSim של 0.5 Gy, ההדמיות חזו ממוצע של 1760±90 אירועי שקיעת אנרגיה לכל מיקרומטר באורך דנדריטי, מתוכם 250±10 יינון. בנוסף, היו בממוצע 330±80, 50±20 ו-30±10 אירועים לכל פטריה, עמוד שדרה דק וקשוח, בהתאמה, כולל 50±10, 7±2 ו-4±2 יינון לכל עמוד שדרה.
הערכת ההתפלגות המרחבית של אירועי שקיעת אנרגיה לאורך הדנדריטים גילתה שחשיפה ל-GCRSim גורמת להקרנת פרוטונים של כל המקטעים הדנדריטים במינונים נמוכים מאוד. הקרנה נרחבת על ידי חלקיקי אלפא הייתה ככל הנראה גם במינונים רלוונטיים לטיסות חלל, בעוד שהקרנה על ידי יונים כבדים יותר הייתה נדירה יחסית.
"יש עדיין הרבה אי ודאות סביב אילו היבטים של הקרנת GCR אחראים בסופו של דבר לשינויים בסופו של דבר בקוגניציה או בהתנהגות", מסביר פיטר. "התוצאות שלנו מצביעות על כך שהקרנה נרחבת אפילו של מבנים בקנה מידה קטן כמו דנדריטים עצביים צפויה לאחר מספר חודשים בלבד של טיסה בחלל."
אם הקרנה חוזרת ונרחבת שכזו היא אכן הגורם לחוסר תפקוד עצבי, הדבר עשוי לרמוז שמשימות ממושכות בחלל עמוק מסוכנות באופן לא פרופורציונלי מאשר שהות קצרה במסלול נמוך במסלול כדור הארץ. פיטר מציין כי יש צורך בנתונים ניסויים נוספים, עם זאת, לפני שניתן להסיק מסקנות סופיות כלשהן.
אתגר קוסמי: הגנה על מחשבי-על מפני איום מחוץ לכדור הארץ
לבסוף, החוקרים השוו את התוצאות שלהם לאלו שהתקבלו באמצעות SimGCRSim, ספקטרום מפושט המופעל גם בניסויים של נאס"א. הם גילו שפרופילי הקרנה של 33 אלומת GCRSim ו-6 אלומה SimGCRSim יצרו זרמים דומים ביותר ודפוסי שקיעת אנרגיה בקנה מידה של נוירונים בודדים.
המטרה הסופית, אומר פיטר, היא לפתח מודל מכניסטי של חוסר תפקוד נוירוני הנגרמת על ידי קרינה. הצעד הבא של הצוות יהיה לכלול את ההשפעות של כימיה רדיוליטית בסימולציות ולאחר מכן, כאשר נתונים ניסויים נוספים זמינים, להסיק אילו תכונות פיזיקו-כימיות אחראיות לשינויים בתפקוד הביולוגי.
