Оскільки очікується повернення до довготривалих космічних польотів з екіпажем, астронавти зіткнуться зі значними ризиками через вплив космічної радіації. Галактичні космічні промені (ГКЛ) становлять особливу проблему, оскільки їх нелегко захистити, а потужність дози досягає 0.5 мГр/добу.
Тривале опромінення центральної нервової системи викликає серйозне занепокоєння як для тривалого здоров’я астронавтів, так і для загального успіху місії. Дослідження на гризунах продемонстрували зміни поведінки після опромінення дозами радіації до 50 мГр. Пацієнти, які отримували променеву терапію, також мали когнітивні розлади та порушення пам’яті, хоча й при значно вищих дозах опромінення. Але точна оцінка ризику для астронавтів є складною, частково через технічні проблеми імітації поля широкого спектру ГКЛ в лабораторії.
В останні роки Лабораторія космічної радіації NASA використовувала новий симулятор ГКР (GCRSim) за його радіобіологічні експерименти. Спектр GCRSim включає 33 комбінації іонів і енергії та дуже нагадує радіаційне середовище, яке астронавти відчуватимуть під час подорожей на Місяць і Марс.
Зараз дослідницька група с Гарвардський університет та Massachusetts General Hospital виконала перший нанометровий обчислювальний аналіз GCRSim у реалістичній геометрії нейрона. Команда сподівається, що симуляції, представлені в Фізика в медицині та біології, допоможе дослідникам, які проводять експерименти GCRSim, інтерпретувати біологічні дані.
«Мотивацією для цього дослідження було моделювання відкладення енергії, що передається нейрону в реалістичних умовах космічного польоту, яке також можна відтворити під час наземних радіобіологічних експериментів», — перший автор Йона Пітер розповідає Світ фізики.
Моделювання нейрона
Вважається, що поведінкові зміни, спричинені радіацією, частково виникають через пошкодження нейронів у гіпокампі мозку. Зокрема, опромінення субнейрональних структур, таких як дендрити (розгалужені розширення нервової клітини) і дендритні шипи (крихітні виступи з дендритів), може спричинити погіршення когнітивних функцій. З огляду на це Петро з колегами виступив в силіконі реконструкції репрезентативного нейрона гіпокампу, включаючи сому (тіло клітини), дендрити та понад 3500 дендритних шипів.
Команда використовувала моделювання за методом Монте-Карло, щоб змоделювати треки частинок через нейрон для кожної комбінації іонів і енергії GCRSim, яка включала 14 різних енергій протонів і альфа-частинок, а також п’ять важчих іонів.
Для всіх симуляцій загальна поглинена доза на весь нейрон була масштабована до 0.5 Гр, приблизної дози, яку зазнав астронавт під час 2–3-річної місії на Марс, і дози, яка використовувалася в експериментах GCRSim.
Модель передбачила поглинені дози соми, дендритів і шипів після опромінення GCRSim 0.54±0.09, 0.47±0.02 і 0.8±0.5 Гр, відповідно – відхилення від 0.5 Гр через неоднорідності в профілі опромінення при низькому флюенсі. «Це призводить до стохастичних коливань поглиненої дози, які стають більш помітними для менших структур», — пояснює Пітер.
Дослідники також проаналізували відкладення енергії для трьох типів дендритних шипів (грибоподібні, тонкі та короткі шипи). Вони виявили, що шипи грибів отримують близько 78% від загального відкладення енергії хребта через їх більший середній об’єм, що може поставити їх під більший ризик пошкодження, спричиненого радіацією.
Депонування енергії
Через високу енергію всіх первинних іонів у спектрі GCRSim кожен іон передає більшу частину своєї енергії нейрону через вторинні електрони. Команда досліджувала різні фізичні процеси, пов’язані з цим відкладенням енергії, і виявила, що домінуючий внесок (59%) надходить від іонізації. Це важливо, оскільки іонізація спричиняє найбільше відкладення енергії за подію, що робить її особливо шкідливою.
Для дози нейрона GCRSim 0.5 Гр моделювання передбачало в середньому 1760±90 подій відкладення енергії на мікрометр довжини дендрита, 250±10 з яких були іонізацією. Крім того, було в середньому 330±80, 50±20 і 30±10 подій на грибоподібну, тонку та коротку ость відповідно, включаючи 50±10, 7±2 та 4±2 іонізації на ості.
Оцінка просторового розподілу подій відкладення енергії в дендритах виявила, що вплив GCRSim призводить до протонного опромінення всіх дендритних сегментів у дуже низьких дозах. Широко поширене опромінення альфа-частинками також було ймовірним у дозах, відповідних космічним польотам, тоді як опромінення більш важкими іонами було порівняно рідкісним.
«Існує ще багато невизначеності щодо того, які аспекти опромінення ГКЛ зрештою відповідають за можливі зміни в пізнанні чи поведінці», — пояснює Пітер. «Наші результати свідчать про те, що широке опромінення навіть невеликих структур, таких як дендрити нейронів, ймовірно, вже через кілька місяців космічного польоту».
Якщо таке повторюване широкомасштабне опромінення справді є причиною дисфункції нейронів, це може означати, що тривалі місії в глибокому космосі непропорційно більш небезпечні, ніж короткі перебування на низькій навколоземній орбіті. Пітер зазначає, що необхідні додаткові експериментальні дані, перш ніж можна буде зробити будь-які остаточні висновки.
Космічний виклик: захистити суперкомп’ютери від позаземної загрози
Нарешті, дослідники порівняли свої результати з результатами, отриманими за допомогою SimGCRSim, спрощений спектр, який також використовується в експериментах НАСА. Вони виявили, що профілі опромінення 33-променевого GCRSim і 6-променевого SimGCRSim створюють дуже схожі флюенси та моделі відкладення енергії в масштабі одного нейрона.
Кінцевою метою, каже Пітер, є розробка механічної моделі нейрональної дисфункції, спричиненої радіацією. Наступним кроком команди буде включення ефектів радіолітичної хімії в моделювання, а потім, коли буде доступно більше експериментальних даних, щоб зробити висновок, які фізико-хімічні властивості відповідають за зміни біологічної функції.
