รังสีคอสมิกของกาแล็กซีจะส่งผลต่อนักบินอวกาศที่เดินทางไปดาวอังคารได้อย่างไร

ด้วยการที่รอการกลับมาสู่การบินอวกาศโดยลูกเรือที่มีระยะเวลายาวนาน นักบินอวกาศจะเผชิญกับความเสี่ยงที่สำคัญจากการสัมผัสกับรังสีในอวกาศ รังสีคอสมิกทางช้างเผือก (GCR) ก่อให้เกิดความท้าทายเป็นพิเศษ เนื่องจากไม่สามารถป้องกันได้ง่ายและมีอัตราปริมาณรังสีสูงถึง 0.5 mGy/วัน

การฉายรังสีไปยังระบบประสาทส่วนกลางอย่างต่อเนื่องถือเป็นข้อกังวลหลัก ทั้งต่อสุขภาพของนักบินอวกาศในระยะยาวและความสำเร็จของภารกิจโดยรวม การศึกษาในสัตว์ฟันแทะได้แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมหลังจากได้รับรังสีปริมาณต่ำถึง 50 mGy ผู้ป่วยที่ได้รับการรักษาด้วยรังสีบำบัดก็ประสบปัญหาด้านการรับรู้และความจำบกพร่องเช่นกัน แม้ว่าจะได้รับปริมาณรังสีที่สูงกว่ามากก็ตาม แต่การประมาณความเสี่ยงที่แม่นยำสำหรับนักบินอวกาศเป็นเรื่องยาก ส่วนหนึ่งเนื่องมาจากความท้าทายทางเทคนิคในการจำลองสนาม GCR ในวงกว้างในห้องปฏิบัติการ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ห้องปฏิบัติการรังสีอวกาศของ NASA ได้ใช้เครื่องจำลอง GCR ใหม่ (จีซีอาร์ซิม) สำหรับการทดลองทางชีววิทยารังสี สเปกตรัม GCRSim ประกอบด้วยไอออนและพลังงานรวมกัน 33 แบบ และมีลักษณะใกล้เคียงกับสภาพแวดล้อมการแผ่รังสีที่นักบินอวกาศจะได้สัมผัสระหว่างการเดินทางไปยังดวงจันทร์และดาวอังคาร

ขณะนี้ทีมวิจัยจาก มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ และ โรงพยาบาลแมสซาชูเซตทั่วไป ได้ทำการวิเคราะห์ด้วยคอมพิวเตอร์ระดับนาโนเมตรครั้งแรกของ GCRSim ในเรขาคณิตของเซลล์ประสาทที่สมจริง ทีมงานหวังว่าการจำลองที่นำเสนอใน ฟิสิกส์ในการแพทย์และชีววิทยาจะช่วยให้นักวิจัยทำการทดลอง GCRSim ในการตีความข้อมูลทางชีววิทยา

“แรงจูงใจในการศึกษาครั้งนี้คือการจำลองการสะสมพลังงานที่ส่งไปยังเซลล์ประสาทภายใต้สภาวะการบินอวกาศที่สมจริง ซึ่งสามารถจำลองได้ในระหว่างการทดลองทางรังสีชีววิทยาภาคพื้นดิน” ผู้เขียนคนแรก โยนาห์ ปีเตอร์ บอก โลกฟิสิกส์.

การสร้างแบบจำลองเซลล์ประสาท

การเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมที่เกิดจากรังสีเชื่อว่าส่วนหนึ่งเกิดจากความเสียหายต่อเซลล์ประสาทในฮิบโปแคมปัสของสมอง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การฉายรังสีของโครงสร้างใต้เซลล์ประสาท เช่น เดนไดรต์ (ส่วนที่ขยายออกไปของเซลล์ประสาท) และกระดูกสันหลังเดนไดรต์ (ส่วนที่ยื่นออกมาเล็กๆ จากเดนไดรต์) อาจทำให้การรับรู้ลดลงได้ เมื่อคำนึงถึงสิ่งนี้ ปีเตอร์และเพื่อนร่วมงานจึงแสดง ในซิลิโค การสร้างเซลล์ประสาทฮิปโปแคมปัสที่เป็นตัวแทนขึ้นมาใหม่ รวมถึงโซมา (ตัวเซลล์) เดนไดรต์ และกระดูกสันหลังเดนไดรต์มากกว่า 3500 เส้น

ทีมงานใช้การจำลองแบบมอนติคาร์โลเพื่อสร้างแบบจำลองเส้นทางอนุภาคผ่านเซลล์ประสาทสำหรับการรวมกันของไอออนและพลังงาน GCRSim แต่ละรายการ ซึ่งรวมถึงพลังงานที่แตกต่างกัน 14 ชนิดของโปรตอนและอนุภาคอัลฟา รวมทั้งไอออนที่หนักกว่าอีก XNUMX ตัว

สำหรับการจำลองทั้งหมด ปริมาณการดูดซึมรวมของเซลล์ประสาททั้งหมดจะถูกปรับขนาดเป็น 0.5 Gy ซึ่งเป็นปริมาณโดยประมาณที่นักบินอวกาศได้รับระหว่างภารกิจดาวอังคาร 2-3 ปี และปริมาณที่ใช้ในการทดลอง GCRSim

แบบจำลองทำนายปริมาณการดูดซึมของตัวเซลล์ เดนไดรต์ และกระดูกสันหลังหลังจากการฉายรังสี GCRSim 0.54±0.09, 0.47±0.02 และ 0.8±0.5 Gy ตามลำดับ ซึ่งเบี่ยงเบนไปจาก 0.5 Gy เนื่องจากความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในโปรไฟล์การฉายรังสีที่ความคล่องแคล่วต่ำ “สิ่งนี้นำไปสู่ความผันผวนของปริมาณรังสีที่ดูดซึม ซึ่งมีความโดดเด่นมากขึ้นสำหรับโครงสร้างขนาดเล็ก” ปีเตอร์อธิบาย

นักวิจัยยังได้วิเคราะห์การสะสมพลังงานของกระดูกสันหลังเดนไดรต์สามประเภท (กระดูกสันหลังเห็ด กระดูกสันหลังบาง และกระดูกสันหลังแข็ง) พวกเขาพบว่ากระดูกสันหลังของเห็ดได้รับประมาณ 78% ของการสะสมพลังงานของกระดูกสันหลังทั้งหมด เนื่องจากมีปริมาตรเฉลี่ยที่มากขึ้น ซึ่งอาจทำให้พวกเขาเสี่ยงต่อความเสียหายที่เกิดจากรังสีมากขึ้น

การสะสมพลังงาน

เนื่องจากไอออนปฐมภูมิทั้งหมดในสเปกตรัม GCRSim มีพลังงานสูง ไอออนแต่ละตัวจึงฝากพลังงานส่วนใหญ่เข้าไปในเซลล์ประสาทผ่านอิเล็กตรอนทุติยภูมิ ทีมงานได้ตรวจสอบกระบวนการทางกายภาพต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการสะสมพลังงาน และพบว่าส่วนสำคัญ (59%) มาจากไอออไนซ์ สิ่งนี้มีความสำคัญ เนื่องจากการไอออไนซ์ทำให้เกิดการสะสมพลังงานมากที่สุดต่อเหตุการณ์ ทำให้เกิดอันตรายอย่างยิ่ง

สำหรับขนาดเซลล์ประสาท GCRSim ที่ 0.5 Gy การจำลองทำนายเหตุการณ์การสะสมพลังงานโดยเฉลี่ย 1760 ± 90 เหตุการณ์ต่อไมโครเมตรของความยาวเดนไดรต์ โดย 250 ± 10 เหตุการณ์เป็นแบบไอออไนซ์ นอกจากนี้ มีเหตุการณ์เฉลี่ย 330±80, 50±20 และ 30±10 เหตุการณ์ต่อเห็ด กระดูกสันหลังบางและแข็ง ตามลำดับ รวมถึง 50±10, 7±2 และ 4±2 ไอออไนซ์ต่อกระดูกสันหลัง

การประเมินการกระจายเชิงพื้นที่ของเหตุการณ์การสะสมพลังงานตลอดทั้งเดนไดรต์พบว่าการสัมผัส GCRSim ส่งผลให้เกิดการฉายรังสีโปรตอนของส่วนเดนไดรต์ทั้งหมดในปริมาณที่ต่ำมาก การฉายรังสีอย่างกว้างขวางด้วยอนุภาคแอลฟาก็มีแนวโน้มที่จะได้รับปริมาณที่เกี่ยวข้องกับการบินอวกาศ ในขณะที่การฉายรังสีด้วยไอออนที่หนักกว่านั้นค่อนข้างหายาก

“ยังคงมีความไม่แน่นอนอยู่มากว่าแง่มุมใดของการฉายรังสี GCR ท้ายที่สุดแล้วจะต้องรับผิดชอบต่อการเปลี่ยนแปลงการรับรู้หรือพฤติกรรมในที่สุด” ปีเตอร์อธิบาย “ผลลัพธ์ของเราชี้ให้เห็นว่าการฉายรังสีอย่างกว้างขวางแม้กระทั่งโครงสร้างขนาดเล็ก เช่น เดนไดรต์ของเซลล์ประสาท น่าจะเป็นไปได้หลังจากการบินอวกาศเพียงไม่กี่เดือน”

ถ้าการฉายรังสีอย่างกว้างขวางซ้ำๆ เป็นตัวขับเคลื่อนความผิดปกติของเส้นประสาทจริงๆ นี่อาจบ่งบอกว่าภารกิจในห้วงอวกาศที่ขยายออกไปนั้นมีอันตรายมากกว่าการอยู่ระยะสั้นๆ ในวงโคจรโลกต่ำอย่างไม่สมสัดส่วน ปีเตอร์ตั้งข้อสังเกตว่าจำเป็นต้องมีข้อมูลการทดลองเพิ่มเติมก่อนที่จะสามารถสรุปข้อสรุปที่แน่ชัดได้

ในที่สุด นักวิจัยได้เปรียบเทียบผลลัพธ์กับผลลัพธ์ที่ได้รับจากการใช้ SimGCRSimซึ่งเป็นสเปกตรัมแบบง่ายที่ใช้ในการทดลองของ NASA ด้วย พวกเขาพบว่าโปรไฟล์การฉายรังสี GCRSim 33 ลำและ SimGCRSim 6 ลำสร้างรูปแบบการไหลเวียนและพลังงานที่คล้ายกันมากในระดับเซลล์ประสาทเดี่ยว

ปีเตอร์กล่าวว่าเป้าหมายสูงสุดคือการพัฒนาแบบจำลองกลไกของความผิดปกติของเส้นประสาทที่เกิดจากรังสี ขั้นตอนต่อไปของทีมคือการรวมผลกระทบของเคมีกัมมันตภาพรังสีในการจำลอง และเมื่อมีข้อมูลการทดลองมากขึ้น เพื่อสรุปว่าคุณสมบัติทางเคมีกายภาพใดที่รับผิดชอบต่อการเปลี่ยนแปลงการทำงานทางชีววิทยา