Med den väntande återgången till långvariga besättningsflygningar kommer astronauter att möta betydande risker från exponering för rymdstrålning. Galaktiska kosmiska strålar (GCR) utgör en särskild utmaning eftersom de inte är lätta att avskärma och har så höga doser som 0.5 mGy/dag.
Ihållande bestrålning av det centrala nervsystemet är ett stort problem, både för astronauternas hälsa på lång sikt och övergripande framgång för uppdraget. Studier på gnagare har visat beteendeförändringar efter exponering för stråldoser så låga som 50 mGy. Patienter som behandlats med strålbehandling har också upplevt kognitiva och minnesstörningar, om än vid mycket högre stråldoser. Men exakt riskuppskattning för astronauter är svår, delvis på grund av de tekniska utmaningarna med att emulera det bredspektrum GCR-fältet i ett laboratorium.
Under de senaste åren har NASA Space Radiation Laboratory använt en ny GCR-simulator (GCRSim) för sina radiobiologiska experiment. GCRSim-spektrumet inkluderar 33 jon-energikombinationer och liknar den strålningsmiljö som astronauter kommer att uppleva på resor till månen och Mars.
Nu ett forskarteam från Harvard University och Massachusetts General Hospital har utfört den första beräkningsanalysen i nanometerskala av GCRSim i en realistisk neurongeometri. Teamet hoppas att simuleringarna, som presenteras i Fysik inom medicin och biologi, kommer att hjälpa forskare som utför GCRSim-experiment att tolka biologiska data.
"Motivationen för denna studie var att simulera energiavsättningen som tillförts en neuron under realistiska rymdfärdsförhållanden som också kan replikeras under markbaserade radiobiologiska experiment," första författare Jonas Peter berättar Fysikvärlden.
Modellera neuronen
Strålningsinducerade beteendeförändringar tros delvis bero på skador på neuroner i hjärnans hippocampus. I synnerhet kan bestrålning av sub-neuronala strukturer som dendriter (förgrenade förlängningar av nervcellen) och dendritiska ryggraden (små utsprång från dendriterna) orsaka kognitiv försämring. Med detta i åtanke uppträdde Peter och kollegor in silico rekonstruktioner av en representativ hippocampus neuron, inklusive soma (cellkropp), dendriter och över 3500 dendritiska ryggar.
Teamet använde Monte Carlo-simuleringar för att modellera partikelspår genom neuronen för varje GCRSim-jon-energikombination, som inkluderade 14 olika energier av protoner och alfapartiklar, plus fem tyngre joner.
För alla simuleringar skalades den totala absorberade dosen över hela neuronen till 0.5 Gy, den ungefärliga dosen som en astronaut upplevde under ett 2–3 år långt Mars-uppdrag och dosen som användes i GCRSim-experiment.
Modellen förutspådde absorberade doser till soma, dendriter och ryggrader efter GCRSim-bestrålning på 0.54±0.09, 0.47±0.02 respektive 0.8±0.5 Gy – avvikande från 0.5 Gy på grund av inhomogeniteter i bestrålningsprofilen vid låg fluens. "Detta leder till stokastiska fluktuationer i den absorberade dosen, som blir mer framträdande för mindre strukturer", förklarar Peter.
Forskarna analyserade också energiavlagringen för tre dendritiska ryggradstyper (svamp, tunna och stubbiga ryggar). De fann att svampryggar får cirka 78 % av den totala ryggradens energideposition på grund av deras större genomsnittliga volym, vilket kan utsätta dem för en större risk för strålningsinducerade skador.
Energideposition
På grund av de höga energierna hos alla primära joner i GCRSim-spektrumet, deponerar varje jon det mesta av sin energi i neuronen via sekundära elektroner. Teamet undersökte de olika fysiska processerna i samband med denna energideposition och fann att det dominerande bidraget (59%) kom från joniseringar. Detta är betydelsefullt, eftersom joniseringar orsakar den största energidepositionen per händelse, vilket gör dem särskilt skadliga.
För en GCRSim-neurondos på 0.5 Gy förutspådde simuleringarna i genomsnitt 1760±90 energiavsättningshändelser per mikrometer av dendritisk längd, varav 250±10 var joniseringar. Dessutom var det i genomsnitt 330±80, 50±20 och 30±10 händelser per svamp, tunn respektive stubbig ryggrad, inklusive 50±10, 7±2 och 4±2 joniseringar per ryggrad.
Att bedöma den rumsliga fördelningen av energiavsättningshändelser genom dendriterna visade att GCRSim-exponering resulterar i protonbestrålning av alla dendritiska segment vid mycket låga doser. Utbredd bestrålning av alfapartiklar var också sannolikt vid rymdflygningsrelevanta doser, medan bestrålning av tyngre joner var jämförelsevis sällsynt.
"Det finns fortfarande mycket osäkerhet kring vilka aspekter av GCR-bestrålning som är ytterst ansvariga för eventuella förändringar i kognition eller beteende", förklarar Peter. "Våra resultat tyder på att utbredd bestrålning av även småskaliga strukturer som neuronala dendriter är sannolikt efter bara några månaders rymdfärd."
Om sådan upprepad, utbredd bestrålning verkligen är orsaken till neuronal dysfunktion, kan detta innebära att långa djupa rymduppdrag är oproportionerligt farligare än korta vistelser i låg omloppsbana om jorden. Peter noterar att det behövs mer experimentella data innan några definitiva slutsatser kan dras.
Kosmisk utmaning: skydda superdatorer från ett utomjordiskt hot
Slutligen jämförde forskarna sina resultat med de som erhölls med hjälp av SimGCRSim, ett förenklat spektrum som också används i NASA-experiment. De fann att 33-stråle GCRSim och 6-stråle SimGCRSim bestrålningsprofiler producerade mycket likartade fluenser och energiavsättningsmönster på singelneuronskalan.
Det slutliga målet, säger Peter, är att utveckla en mekanistisk modell av strålningsinducerad neuronal dysfunktion. Teamets nästa steg blir att inkludera effekterna av radiolytisk kemi i simuleringarna och sedan, när mer experimentella data finns tillgängliga, att härleda vilka fysikalisk-kemiska egenskaper som är ansvariga för förändringar i biologisk funktion.
