장기 유인 우주 비행으로의 복귀가 보류되면서 우주 비행사는 우주 방사선 노출로 인한 심각한 위험에 직면하게 될 것입니다. 은하 우주선(GCR)은 쉽게 차폐되지 않고 선량률이 0.5mGy/일에 달하기 때문에 특별한 문제를 제기합니다.
중추 신경계에 대한 지속적인 방사선 조사는 장기적인 우주 비행사의 건강과 전반적인 임무 성공 모두에 대한 주요 관심사입니다. 설치류에 대한 연구에서 50mGy만큼 낮은 방사선에 노출된 후 행동 변화가 나타났습니다. 방사선 요법으로 치료받은 환자는 훨씬 더 높은 방사선량에도 불구하고 인지 및 기억 장애를 경험했습니다. 그러나 우주 비행사에 대한 정확한 위험 추정은 부분적으로 실험실에서 광역 스펙트럼 GCR 필드를 에뮬레이션하는 기술적 문제로 인해 어렵습니다.
최근 몇 년 동안 NASA Space Radiation Laboratory는 새로운 GCR 시뮬레이터(GC심) 방사선 생물학 실험을 위해. GCRSim 스펙트럼에는 33개의 이온-에너지 조합이 포함되어 있으며 우주비행사가 달과 화성 여행에서 경험하게 될 방사선 환경과 매우 유사합니다.
이제 연구팀은 하버드 대학교 및 매사 추세 츠 종합 병원 실제 뉴런 기하학에서 GCRSim의 최초 나노미터 규모 계산 분석을 수행했습니다. 팀은 시뮬레이션이 의학 및 생물학 물리학, GCRSim 실험을 수행하는 연구원들이 생물학적 데이터를 해석하는 데 도움이 될 것입니다.
"이 연구의 동기는 지상 기반 방사선 생물학 실험 중에도 복제할 수 있는 실제 우주 비행 조건에서 뉴런에 전달되는 에너지 침착을 시뮬레이션하는 것이었습니다." 제XNUMX저자 조나 피터 말하다 물리 세계.
뉴런 모델링
방사선 유발 행동 변화는 부분적으로 뇌 해마의 뉴런 손상에서 발생하는 것으로 생각됩니다. 특히, 수상돌기(신경 세포의 분지된 확장) 및 수상돌기 가시(수상돌기로부터의 작은 돌출부)와 같은 하위 신경 구조에 대한 조사는 인지 감퇴를 유발할 수 있습니다. 이를 염두에 두고 Peter와 동료들은 실리에 체세포(세포체), 수상돌기 및 3500개 이상의 수상돌기를 포함하는 대표적인 해마 뉴런의 재건.
팀은 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 양성자와 알파 입자의 14가지 에너지와 XNUMX개의 무거운 이온을 포함하는 각 GCRSim 이온-에너지 조합에 대한 뉴런을 통한 입자 트랙을 모델링했습니다.
모든 시뮬레이션에서 전체 뉴런에 대한 총 흡수 선량은 0.5~2년의 화성 임무 동안 우주 비행사가 경험한 대략적인 선량과 GCRSim 실험에 사용된 선량인 3Gy로 조정되었습니다.
이 모델은 GCRSim 조사 후 각각 0.54±0.09, 0.47±0.02 및 0.8±0.5Gy의 체세포, 수상돌기 및 척추에 대한 흡수선량을 예측했습니다. 낮은 플루언스에서 조사 프로파일의 불균일성으로 인해 0.5Gy에서 벗어났습니다. "이것은 흡수된 선량의 확률적 변동으로 이어지며, 이는 더 작은 구조에서 더 두드러집니다."라고 Peter는 설명합니다.
연구원들은 또한 78가지 돌기 가시 유형(버섯 가시, 얇고 뭉툭한 가시)에 대한 에너지 침착을 분석했습니다. 그들은 버섯 가시가 더 큰 평균 부피로 인해 전체 척추 에너지 침착의 약 XNUMX%를 받는 것을 발견했으며, 이로 인해 방사선 유발 손상의 위험이 더 커질 수 있습니다.
에너지 증착
GCRSim 스펙트럼에서 모든 59차 이온의 높은 에너지로 인해 각 이온은 XNUMX차 전자를 통해 대부분의 에너지를 뉴런에 저장합니다. 팀은 이 에너지 증착과 관련된 다양한 물리적 프로세스를 조사했으며 지배적인 기여(XNUMX%)가 이온화에서 온다는 것을 발견했습니다. 이는 이온화가 이벤트당 가장 큰 에너지 증착을 유발하여 특히 해롭기 때문에 중요합니다.
0.5Gy의 GCRSim 뉴런 선량에 대해 시뮬레이션은 수지상 길이의 마이크로미터당 평균 1760±90개의 에너지 증착 이벤트를 예측했으며 그 중 250±10개는 이온화되었습니다. 또한, 가시당 330±80, 50±20 및 30±10 이온화를 포함하여 각각 버섯, 얇고 뭉툭한 가시당 평균 50±10, 7±2 및 4±2 이벤트가 있었습니다.
수상돌기를 통한 에너지 증착 이벤트의 공간적 분포를 평가한 결과 GCRSim 노출이 매우 낮은 선량에서 모든 수상돌기 세그먼트의 양성자 조사를 초래한다는 것이 밝혀졌습니다. 알파 입자에 의한 광범위한 조사는 우주 비행 관련 선량에서도 가능했지만 무거운 이온에 의한 조사는 비교적 드물었습니다.
"GCR 조사의 어떤 측면이 인지 또는 행동의 궁극적인 변화에 궁극적으로 책임이 있는지를 둘러싼 많은 불확실성이 여전히 존재합니다."라고 Peter는 설명합니다. "우리의 결과는 신경 수상 돌기와 같은 소규모 구조조차도 우주 비행 몇 달 후에 광범위한 조사가 가능함을 시사합니다."
그러한 반복적이고 광범위한 방사선 조사가 실제로 신경 기능 장애의 원인이라면 이는 확장된 심우주 임무가 낮은 지구 궤도에 단기 체류하는 것보다 훨씬 더 위험하다는 것을 의미할 수 있습니다. 그러나 확실한 결론을 내리기 전에 더 많은 실험 데이터가 필요하다고 Peter는 지적합니다.
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마지막으로 연구원들은 결과를 사용하여 얻은 결과와 비교했습니다. 심GCRSim, 단순화된 스펙트럼은 NASA 실험에서도 사용됩니다. 그들은 33-빔 GCRSim과 6-빔 SimGCRSim 조사 프로필이 단일 뉴런 규모에서 매우 유사한 플루언스와 에너지 증착 패턴을 생성한다는 것을 발견했습니다.
궁극적인 목표는 방사선 유발 신경 기능 장애의 기계적 모델을 개발하는 것이라고 Peter는 말합니다. 팀의 다음 단계는 시뮬레이션에 방사성 화학의 효과를 포함시킨 다음 더 많은 실험 데이터를 사용할 수 있을 때 생물학적 기능의 변화에 책임이 있는 물리화학적 특성을 추론하는 것입니다.
