Med den ventende returen til langvarige romflyvninger med mannskap, vil astronauter møte betydelig risiko ved eksponering for romstråling. Galaktiske kosmiske stråler (GCR) utgjør en spesiell utfordring siden de ikke er lett å skjerme og har dosehastigheter så høye som 0.5 mGy/dag.
Vedvarende bestråling av sentralnervesystemet er en stor bekymring, både for langsiktig astronauthelse og generell oppdragssuksess. Studier på gnagere har vist atferdsendringer etter eksponering for stråledoser så lave som 50 mGy. Pasienter behandlet med strålebehandling har også opplevd kognitive og hukommelsesvansker, om enn ved mye høyere stråledoser. Men nøyaktig risikoestimering for astronauter er vanskelig, delvis på grunn av de tekniske utfordringene med å emulere det bredspektrede GCR-feltet i et laboratorium.
De siste årene har NASA Space Radiation Laboratory brukt en ny GCR-simulator (GCRSim) for sine radiobiologiske eksperimenter. GCRSim-spekteret inkluderer 33 ione-energikombinasjoner og ligner mye på strålingsmiljøet som astronauter vil oppleve på reiser til Månen og Mars.
Nå et forskerteam fra Harvard University og Massachusetts General Hospital har utført den første beregningsanalysen av GCRSim i nanometerskala i en realistisk nevrongeometri. Teamet håper at simuleringene, presentert i Fysikk i medisin og biologi, vil hjelpe forskere som utfører GCRSim-eksperimenter med å tolke biologiske data.
"Motivasjonen for denne studien var å simulere energiavsetningen tilført et nevron under realistiske romfartsforhold som også kan replikeres under bakkebaserte radiobiologiske eksperimenter," førsteforfatter Jonas Peter forteller Fysikkens verden.
Modellering av nevronet
Strålingsinduserte atferdsendringer antas å oppstå delvis fra skade på nevroner i hjernens hippocampus. Spesielt kan bestråling av sub-nevronale strukturer som dendritter (forgrenede forlengelser av nervecellen) og dendritiske spines (små fremspring fra dendrittene) forårsake kognitiv tilbakegang. Med dette i tankene opptrådte Peter og kollegene i silico rekonstruksjoner av et representativt hippocampusnevron, inkludert soma (cellekroppen), dendritter og over 3500 dendritiske ryggrader.
Teamet brukte Monte Carlo-simuleringer for å modellere partikkelspor gjennom nevronet for hver GCRSim-ion-energikombinasjon, som inkluderte 14 forskjellige energier av protoner og alfapartikler, pluss fem tyngre ioner.
For alle simuleringer ble den totale absorberte dosen over hele nevronet skalert til 0.5 Gy, den omtrentlige dosen som en astronaut opplevde under et 2–3 år langt Mars-oppdrag, og dosen brukt i GCRSim-eksperimenter.
Modellen spådde absorberte doser til soma, dendritter og spines etter GCRSim-bestråling på henholdsvis 0.54±0.09, 0.47±0.02 og 0.8±0.5 Gy – avvikende fra 0.5 Gy på grunn av inhomogeniteter i bestrålingsprofilen ved lav fluens. "Dette fører til stokastiske svingninger i den absorberte dosen, som blir mer fremtredende for mindre strukturer," forklarer Peter.
Forskerne analyserte også energiavsetningen for tre dendritiske ryggradstyper (sopp, tynne og stubbete ryggrader). De fant at sopprygger mottar rundt 78 % av den totale ryggradens energiavsetning på grunn av deres større gjennomsnittlige volum, noe som kan sette dem i større risiko for strålingsindusert skade.
Energiavsetning
På grunn av de høye energiene til alle primære ioner i GCRSim-spekteret, deponerer hvert ion mesteparten av sin energi i nevronet via sekundære elektroner. Teamet undersøkte de ulike fysiske prosessene knyttet til denne energiavsetningen og fant at det dominerende bidraget (59 %) kom fra ioniseringer. Dette er betydelig, ettersom ioniseringer påfører den største energiavsetningen per hendelse, noe som gjør dem spesielt skadelige.
For en GCRSim-nevrondose på 0.5 Gy, spådde simuleringene et gjennomsnitt på 1760±90 energiavsetningshendelser per mikrometer dendritisk lengde, hvorav 250±10 var ioniseringer. I tillegg var det et gjennomsnitt på 330±80, 50±20 og 30±10 hendelser per henholdsvis sopp, tynn og stubb ryggrad, inkludert 50±10, 7±2 og 4±2 ioniseringer per ryggrad.
Vurdering av den romlige fordelingen av energiavsetningshendelser gjennom dendrittene viste at GCRSim-eksponering resulterer i protonbestråling av alle dendrittiske segmenter ved svært lave doser. Utbredt bestråling av alfapartikler var også sannsynlig ved romfart-relevante doser, mens bestråling av tyngre ioner var relativt sjelden.
"Det er fortsatt mye usikkerhet rundt hvilke aspekter av GCR-bestråling som til syvende og sist er ansvarlige for eventuelle endringer i kognisjon eller atferd," forklarer Peter. "Våre resultater tyder på at utbredt bestråling av selv småskala strukturer som nevronale dendritter er sannsynlig etter bare noen få måneders romfart."
Hvis slik gjentatt, utbredt bestråling faktisk er driveren til nevronal dysfunksjon, kan dette innebære at utvidede romfartsoppdrag er uforholdsmessig farligere enn korte opphold i lav jordbane. Peter bemerker at det imidlertid trengs flere eksperimentelle data før noen endelige konklusjoner kan trekkes.
Kosmisk utfordring: å beskytte superdatamaskiner fra en utenomjordisk trussel
Til slutt sammenlignet forskerne resultatene sine med de som ble oppnådd ved hjelp av SimGCRSim, et forenklet spektrum også brukt i NASA-eksperimenter. De fant at 33-stråle GCRSim og 6-stråle SimGCRSim bestrålingsprofiler produserte svært like fluenser og energiavsetningsmønstre på enkeltneuronskalaen.
Det endelige målet, sier Peter, er å utvikle en mekanistisk modell for strålingsindusert nevronal dysfunksjon. Teamets neste trinn vil være å inkludere effekten av radiolytisk kjemi i simuleringene og deretter, når flere eksperimentelle data er tilgjengelige, å utlede hvilke fysisk-kjemiske egenskaper som er ansvarlige for endringer i biologisk funksjon.
