S čakajočo vrnitvijo na dolgotrajne vesoljske lete s posadko se bodo astronavti soočili z velikim tveganjem zaradi izpostavljenosti vesoljskemu sevanju. Galaktični kozmični žarki (GCR) predstavljajo poseben izziv, saj jih ni enostavno zaščititi in imajo doze do 0.5 mGy/dan.
Trajno obsevanje osrednjega živčnega sistema je velika skrb, tako za dolgoročno zdravje astronavtov kot za splošni uspeh misije. Študije na glodalcih so pokazale vedenjske spremembe po izpostavljenosti dozam sevanja tako nizkim kot 50 mGy. Bolniki, zdravljeni z radioterapijo, so imeli tudi kognitivne in spominske motnje, čeprav pri veliko višjih odmerkih sevanja. Toda natančna ocena tveganja za astronavte je težavna, deloma zaradi tehničnih izzivov posnemanja polja GCR širokega spektra v laboratoriju.
V zadnjih letih je NASA Laboratorij za vesoljsko sevanje uporabil nov simulator GCR (GCRSim) za svoje radiobiološke poskuse. Spekter GCRSim vključuje 33 kombinacij ion-energija in je zelo podoben sevalnemu okolju, ki ga bodo astronavti doživeli na potovanjih na Luno in Mars.
Zdaj raziskovalna skupina iz Harvard University in Massachusetts General Hospital je izvedel prvo računalniško analizo GCRSim v nanometrskem merilu v realistični geometriji nevronov. Ekipa upa, da bodo simulacije, predstavljene v Fizika v medicini in biologiji, bo pomagal raziskovalcem, ki izvajajo poskuse GCRSim, pri interpretaciji bioloških podatkov.
"Motivacija za to študijo je bila simulacija odlaganja energije, posredovane nevronu v realističnih pogojih vesoljskih poletov, ki jih je mogoče ponoviti tudi med zemeljskimi radiobiološkimi poskusi," je prvi avtor Jonah Peter pove Svet fizike.
Modeliranje nevrona
Spremembe vedenja, ki jih povzroči sevanje, naj bi delno nastale zaradi poškodb nevronov v hipokampusu možganov. Zlasti obsevanje subnevronskih struktur, kot so dendriti (razvejani podaljški živčne celice) in dendritične bodice (drobne izbokline iz dendritov), lahko povzroči upad kognitivnih sposobnosti. S to mislijo je Peter s sodelavci nastopil v silikonu rekonstrukcije reprezentativnega hipokampalnega nevrona, vključno s somo (telesom celice), dendriti in več kot 3500 dendritičnih bodic.
Ekipa je uporabila simulacije Monte Carlo za modeliranje sledi delcev skozi nevron za vsako kombinacijo ion-energija GCRSim, ki je vključevala 14 različnih energij protonov in alfa delcev ter pet težjih ionov.
Za vse simulacije je bila skupna absorbirana doza za celoten nevron prilagojena na 0.5 Gy, kar je približna doza, ki jo je doživel astronavt med 2–3-letno misijo na Mars, in doza, uporabljena v poskusih GCRSim.
Model je predvidel absorbirane doze za somo, dendrite in bodice po obsevanju z GCRSim 0.54±0.09, 0.47±0.02 oziroma 0.8±0.5 Gy – odstopanje od 0.5 Gy zaradi nehomogenosti v profilu obsevanja pri nizki fluenci. "To vodi do stohastičnih nihanj v absorbirani dozi, ki postanejo bolj izrazite pri manjših strukturah," pojasnjuje Peter.
Raziskovalci so analizirali tudi odlaganje energije za tri vrste dendritičnih bodic (gobaste, tanke in trnaste bodice). Ugotovili so, da bodice gob prejmejo približno 78 % celotnega odlaganja energije hrbtenice zaradi njihove večje povprečne prostornine, zaradi česar so lahko izpostavljene večjemu tveganju za poškodbe zaradi sevanja.
Odlaganje energije
Zaradi visokih energij vseh primarnih ionov v spektru GCRSim vsak ion odloži večino svoje energije v nevron prek sekundarnih elektronov. Ekipa je raziskala različne fizikalne procese, povezane s tem odlaganjem energije, in ugotovila, da prevladujoč prispevek (59 %) izvira iz ionizacije. To je pomembno, saj ionizacije povzročijo največji odlog energije na dogodek, zaradi česar so še posebej škodljive.
Za nevronski odmerek GCRSim 0.5 Gy so simulacije napovedale povprečno 1760±90 dogodkov odlaganja energije na mikrometer dendritične dolžine, od tega 250±10 ionizacij. Poleg tega je bilo povprečno 330 ± 80, 50 ± 20 in 30 ± 10 dogodkov na gobo, tanko in trdasto bodico, vključno s 50 ± 10, 7 ± 2 in 4 ± 2 ionizacijama na bodico.
Ocena prostorske porazdelitve dogodkov odlaganja energije po dendritih je pokazala, da izpostavljenost GCRSim povzroči protonsko obsevanje vseh dendritičnih segmentov pri zelo nizkih odmerkih. Razširjeno obsevanje z delci alfa je bilo verjetno tudi pri odmerkih, pomembnih za vesoljske polete, medtem ko je bilo obsevanje s težjimi ioni sorazmerno redko.
"Še vedno je veliko negotovosti v zvezi s tem, kateri vidiki obsevanja GCR so na koncu odgovorni za morebitne spremembe v spoznavanju ali vedenju," pojasnjuje Peter. "Naši rezultati kažejo, da je razširjeno obsevanje celo majhnih struktur, kot so nevronski dendriti, verjetno že po nekaj mesecih vesoljskih poletov."
Če je takšno ponavljajoče se, široko razširjeno obsevanje res gonilo nevronske disfunkcije, bi to lahko pomenilo, da so podaljšane misije v globokem vesolju nesorazmerno bolj nevarne kot kratka bivanja v nizki zemeljski orbiti. Peter ugotavlja, da je potrebnih več eksperimentalnih podatkov, preden je mogoče narediti kakršne koli dokončne zaključke.
Vesoljski izziv: zaščititi superračunalnike pred nezemeljsko grožnjo
Na koncu so raziskovalci svoje rezultate primerjali s tistimi, pridobljenimi z uporabo SimGCRSim, poenostavljen spekter, ki se uporablja tudi v Nasinih poskusih. Ugotovili so, da profili obsevanja s 33 žarki GCRSim in 6 žarki SimGCRSim proizvajajo zelo podobne fluence in vzorce odlaganja energije na lestvici enega nevrona.
Končni cilj, pravi Peter, je razviti mehanični model nevronske disfunkcije, ki jo povzroči sevanje. Naslednji korak ekipe bo vključitev učinkov radiolitske kemije v simulacije in nato, ko bo na voljo več eksperimentalnih podatkov, sklepanje, katere fizikalno-kemijske lastnosti so odgovorne za spremembe v biološki funkciji.
