W jaki sposób galaktyczne promienie kosmiczne mogą wpływać na astronautów podróżujących na Marsa?

W związku ze zbliżającym się powrotem do długotrwałych lotów kosmicznych z załogą, astronauci będą narażeni na znaczne ryzyko związane z narażeniem na promieniowanie kosmiczne. Galaktyczne promienie kosmiczne (GCR) stanowią szczególne wyzwanie, ponieważ nie są łatwe do ekranowania i mają moc dawkowania sięgającą 0.5 mGy/dzień.

Długotrwałe napromieniowanie ośrodkowego układu nerwowego jest poważnym problemem, zarówno dla długoterminowego zdrowia astronautów, jak i ogólnego sukcesu misji. Badania na gryzoniach wykazały zmiany behawioralne po ekspozycji na dawki promieniowania tak niskie, jak 50 mGy. Pacjenci leczeni radioterapią również doświadczali zaburzeń funkcji poznawczych i pamięci, choć przy znacznie wyższych dawkach promieniowania. Jednak dokładne oszacowanie ryzyka dla astronautów jest trudne, częściowo ze względu na techniczne wyzwania związane z emulacją pola GCR o szerokim spektrum w laboratorium.

W ostatnich latach Laboratorium Promieniowania Kosmicznego NASA używało nowego symulatora GCR (GCRSim) za swoje eksperymenty radiobiologiczne. Widmo GCRSim obejmuje 33 kombinacje energii jonów i bardzo przypomina środowisko promieniowania, którego doświadczają astronauci podczas podróży na Księżyc i Marsa.

Teraz zespół badawczy z Harvard University i Massachusetts General Hospital przeprowadził pierwszą analizę obliczeniową GCRSim w skali nanometrowej w realistycznej geometrii neuronu. Zespół ma nadzieję, że symulacje przedstawione w Fizyka w medycynie i biologii, pomoże naukowcom przeprowadzającym eksperymenty GCRSim w interpretacji danych biologicznych.

„Motywacją do tego badania była symulacja depozycji energii przekazywanej neuronowi w realistycznych warunkach lotu kosmicznego, które można również odtworzyć podczas naziemnych eksperymentów radiobiologicznych”, pierwszy autor Jonasz Piotr mówi Świat Fizyki.

Modelowanie neuronu

Uważa się, że zmiany behawioralne wywołane promieniowaniem wynikają częściowo z uszkodzenia neuronów w hipokampie mózgu. W szczególności napromienianie struktur podneuronalnych, takich jak dendryty (rozgałęzione wypustki komórki nerwowej) i kolce dendrytyczne (niewielkie wypustki dendrytów) może powodować spadek funkcji poznawczych. Mając to na uwadze, Peter i współpracownicy wystąpili w silico rekonstrukcje reprezentatywnego neuronu hipokampa, w tym somy (ciała komórki), dendrytów i ponad 3500 kolców dendrytycznych.

Zespół wykorzystał symulacje Monte Carlo do modelowania ścieżek cząstek w neuronie dla każdej kombinacji jon-energia GCRSim, która obejmowała 14 różnych energii protonów i cząstek alfa oraz pięć cięższych jonów.

We wszystkich symulacjach całkowita dawka pochłonięta przez cały neuron została przeskalowana do 0.5 Gy, przybliżonej dawki doświadczanej przez astronautę podczas 2-3-letniej misji na Marsa oraz dawki stosowanej w eksperymentach GCRSim.

Model przewidywał dawki pochłonięte do somy, dendrytów i kolców po naświetlaniu GCRSim odpowiednio 0.54±0.09, 0.47±0.02 i 0.8±0.5 Gy – odbiegając od 0.5 Gy z powodu niejednorodności profilu napromieniowania przy niskiej fluencji. „Prowadzi to do stochastycznych fluktuacji dawki pochłoniętej, które stają się bardziej widoczne w przypadku mniejszych struktur” — wyjaśnia Peter.

Naukowcy przeanalizowali również depozycję energii dla trzech rodzajów kolców dendrytycznych (grzyb, cienkie i przysadziste). Odkryli, że kolce grzybów otrzymują około 78% całkowitego osadzania się energii kręgosłupa ze względu na ich większą średnią objętość, co może narazić je na większe ryzyko uszkodzeń wywołanych promieniowaniem.

Odkładanie energii

Ze względu na wysokie energie wszystkich jonów pierwotnych w widmie GCRSim, każdy jon przekazuje większość swojej energii do neuronu za pośrednictwem elektronów wtórnych. Zespół zbadał różne procesy fizyczne związane z odkładaniem się energii i stwierdził, że dominujący wkład (59%) pochodzi z jonizacji. Jest to istotne, ponieważ jonizacje powodują największe osadzanie energii na zdarzenie, co czyni je szczególnie szkodliwymi.

W przypadku dawki neuronu GCRSim wynoszącej 0.5 Gy symulacje przewidywały średnio 1760 ± 90 zdarzeń osadzania energii na mikrometr długości dendrytycznej, z czego 250 ± 10 stanowiły jonizacje. Ponadto było średnio 330 ± 80, 50 ± 20 i 30 ± 10 zdarzeń odpowiednio na grzyb, cienki i krótki kręgosłup, w tym 50 ± 10, 7 ± 2 i 4 ± 2 jonizacji na kręgosłup.

Ocena rozkładu przestrzennego zdarzeń osadzania energii w dendrytach ujawniła, że ​​ekspozycja na GCRSim skutkuje napromieniowaniem protonowym wszystkich segmentów dendrytycznych przy bardzo niskich dawkach. Powszechne napromieniowanie cząstkami alfa było również prawdopodobne w dawkach istotnych dla lotów kosmicznych, podczas gdy napromieniowanie cięższymi jonami było stosunkowo rzadkie.

„Wciąż istnieje wiele niepewności co do tego, które aspekty napromieniowania GCR są ostatecznie odpowiedzialne za ewentualne zmiany w funkcjach poznawczych lub zachowaniu” — wyjaśnia Peter. „Nasze wyniki sugerują, że powszechne napromieniowanie nawet struktur o małej skali, takich jak neuronalne dendryty, jest prawdopodobne już po kilku miesiącach lotów kosmicznych”.

Jeśli takie powtarzające się, powszechne napromieniowanie jest rzeczywiście przyczyną dysfunkcji neuronów, może to sugerować, że przedłużone misje kosmiczne są nieproporcjonalnie bardziej niebezpieczne niż krótkie pobyty na niskiej orbicie okołoziemskiej. Peter zauważa jednak, że potrzeba więcej danych eksperymentalnych, zanim będzie można wyciągnąć ostateczne wnioski.

Na koniec naukowcy porównali swoje wyniki z wynikami uzyskanymi przy użyciu SimGCRSim, uproszczone widmo stosowane również w eksperymentach NASA. Odkryli, że profile napromieniowania 33-wiązkami GCRSim i 6-wiązkami SimGCRSim wytwarzają bardzo podobne wzorce fluencji i depozycji energii w skali pojedynczego neuronu.

Ostatecznym celem, mówi Peter, jest opracowanie mechanistycznego modelu dysfunkcji neuronów wywołanej promieniowaniem. Następnym krokiem zespołu będzie uwzględnienie efektów chemii radiolitycznej w symulacjach, a następnie, gdy będzie dostępnych więcej danych eksperymentalnych, wydedukowanie, które właściwości fizykochemiczne są odpowiedzialne za zmiany funkcji biologicznych.