Với việc quay trở lại các chuyến bay vũ trụ có phi hành đoàn trong thời gian dài đang chờ xử lý, các phi hành gia sẽ phải đối mặt với những rủi ro đáng kể do tiếp xúc với bức xạ không gian. Các tia vũ trụ thiên hà (GCR) đặt ra một thách thức đặc biệt vì chúng không dễ được che chắn và có suất liều cao tới 0.5 mGy/ngày.
Việc chiếu xạ liên tục tới hệ thần kinh trung ương là mối quan tâm lớn, cả về sức khỏe lâu dài của phi hành gia lẫn sự thành công chung của sứ mệnh. Các nghiên cứu trên loài gặm nhấm đã chứng minh những thay đổi về hành vi sau khi tiếp xúc với liều bức xạ thấp tới 50 mGy. Bệnh nhân được điều trị bằng xạ trị cũng bị suy giảm nhận thức và trí nhớ, mặc dù ở liều bức xạ cao hơn nhiều. Nhưng việc ước tính rủi ro chính xác đối với các phi hành gia là rất khó, một phần do những thách thức kỹ thuật khi mô phỏng trường GCR phổ rộng trong phòng thí nghiệm.
Trong những năm gần đây, Phòng thí nghiệm Bức xạ Không gian của NASA đã sử dụng bộ mô phỏng GCR mới (GCRsim) cho các thí nghiệm sinh học phóng xạ của nó. Phổ GCRSim bao gồm 33 tổ hợp năng lượng ion-ion và gần giống với môi trường bức xạ mà các phi hành gia sẽ trải qua trong các chuyến hành trình tới Mặt trăng và Sao Hỏa.
Bây giờ một nhóm nghiên cứu từ Harvard University và Bệnh viện đa khoa Massachusetts đã thực hiện phân tích tính toán ở quy mô nanomet đầu tiên của GCRSim trong hình học nơ-ron thực tế. Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng các mô phỏng được trình bày trong Vật lý trong Y học & Sinh học, sẽ giúp các nhà nghiên cứu thực hiện thí nghiệm GCRSim giải thích dữ liệu sinh học.
Tác giả đầu tiên cho biết: “Động lực của nghiên cứu này là mô phỏng sự lắng đọng năng lượng truyền đến tế bào thần kinh trong các điều kiện bay vũ trụ thực tế mà cũng có thể được tái tạo trong các thí nghiệm sinh học phóng xạ trên mặt đất”. Giô-na Phi-e-rơ nói Thế giới vật lý.
Mô hình hóa tế bào thần kinh
Những thay đổi hành vi do bức xạ gây ra được cho là phát sinh một phần do tổn thương các tế bào thần kinh ở vùng hải mã của não. Đặc biệt, việc chiếu xạ các cấu trúc thần kinh phụ như đuôi gai (phần mở rộng phân nhánh của tế bào thần kinh) và gai đuôi gai (phần nhô ra nhỏ từ đuôi gai) có thể gây suy giảm nhận thức. Với suy nghĩ này, Peter và các đồng nghiệp đã thực hiện trong silico tái tạo tế bào thần kinh vùng đồi thị đại diện, bao gồm soma (thân tế bào), đuôi gai và hơn 3500 gai đuôi gai.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô phỏng Monte Carlo để lập mô hình các vết hạt xuyên qua tế bào thần kinh cho mỗi tổ hợp ion-năng lượng GCRSim, bao gồm 14 năng lượng khác nhau của proton và hạt alpha, cùng với XNUMX ion nặng hơn.
Đối với tất cả các mô phỏng, tổng liều hấp thụ trên toàn bộ tế bào thần kinh được chia tỷ lệ thành 0.5 Gy, liều gần đúng mà một phi hành gia đã trải qua trong sứ mệnh sao Hỏa kéo dài 2–3 năm và liều được sử dụng trong các thí nghiệm GCRSim.
Mô hình dự đoán liều hấp thụ đối với soma, đuôi gai và gai sau khi chiếu xạ GCRSim lần lượt là 0.54±0.09, 0.47±0.02 và 0.8±0.5 Gy – sai lệch so với 0.5 Gy do sự không đồng nhất trong cấu hình chiếu xạ ở mức lưu lượng thấp. Peter giải thích: “Điều này dẫn đến những dao động ngẫu nhiên về liều hấp thụ, điều này trở nên rõ ràng hơn đối với các cấu trúc nhỏ hơn”.
Các nhà nghiên cứu cũng phân tích sự tích tụ năng lượng của ba loại gai gai (gai hình nấm, gai mỏng và gai ngắn). Họ phát hiện ra rằng gai nấm nhận được khoảng 78% tổng năng lượng tích tụ ở cột sống do thể tích trung bình lớn hơn, điều này có thể khiến chúng có nguy cơ bị tổn thương do bức xạ cao hơn.
lắng đọng năng lượng
Do năng lượng cao của tất cả các ion sơ cấp trong phổ GCRSim, mỗi ion gửi phần lớn năng lượng của nó vào tế bào thần kinh thông qua các electron thứ cấp. Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu các quá trình vật lý khác nhau liên quan đến sự lắng đọng năng lượng này và phát hiện ra rằng sự đóng góp chủ yếu (59%) đến từ quá trình ion hóa. Điều này rất quan trọng, vì quá trình ion hóa gây ra sự tích tụ năng lượng lớn nhất trong mỗi sự kiện, khiến chúng trở nên đặc biệt có hại.
Đối với liều tế bào thần kinh GCRSim là 0.5 Gy, các mô phỏng dự đoán trung bình có 1760±90 sự kiện lắng đọng năng lượng trên mỗi micromet chiều dài đuôi gai, 250±10 trong số đó là sự ion hóa. Ngoài ra, có trung bình 330±80, 50±20 và 30±10 sự kiện trên mỗi cây nấm, gai mỏng và cứng đầu, tương ứng, bao gồm 50±10, 7±2 và 4±2 ion hóa trên mỗi gai.
Đánh giá sự phân bố không gian của các sự kiện lắng đọng năng lượng trên khắp các sợi nhánh cho thấy rằng việc tiếp xúc với GCRSim dẫn đến chiếu xạ proton lên tất cả các đoạn đuôi gai ở liều rất thấp. Sự chiếu xạ rộng rãi bởi các hạt alpha cũng có thể xảy ra ở liều lượng tương ứng với chuyến bay vào vũ trụ, trong khi sự chiếu xạ bởi các ion nặng hơn là tương đối hiếm.
Peter giải thích: “Vẫn còn rất nhiều điều không chắc chắn xung quanh khía cạnh nào của bức xạ GCR chịu trách nhiệm cuối cùng cho những thay đổi cuối cùng trong nhận thức hoặc hành vi”. “Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng việc chiếu xạ trên diện rộng ngay cả các cấu trúc quy mô nhỏ như đuôi gai tế bào thần kinh có thể xảy ra chỉ sau vài tháng bay vào vũ trụ.”
Nếu sự chiếu xạ trên diện rộng, lặp đi lặp lại như vậy thực sự là nguyên nhân gây ra rối loạn chức năng thần kinh, thì điều này có thể hàm ý rằng các sứ mệnh không gian sâu kéo dài nguy hiểm hơn nhiều so với thời gian lưu trú ngắn hạn trên quỹ đạo Trái đất thấp. Tuy nhiên, Peter lưu ý rằng cần có nhiều dữ liệu thử nghiệm hơn trước khi có thể đưa ra bất kỳ kết luận chắc chắn nào.
Thử thách vũ trụ: bảo vệ siêu máy tính khỏi mối đe dọa ngoài trái đất
Cuối cùng, các nhà nghiên cứu so sánh kết quả của họ với kết quả thu được bằng cách sử dụng SimGCRSim, một phổ đơn giản hóa cũng được sử dụng trong các thí nghiệm của NASA. Họ phát hiện ra rằng cấu hình chiếu xạ GCRSim 33 chùm tia và SimGCRSim 6 chùm tia tạo ra các dòng năng lượng và kiểu lắng đọng năng lượng rất giống nhau ở quy mô nơ-ron đơn.
Mục tiêu cuối cùng, Peter nói, là phát triển một mô hình cơ học về rối loạn chức năng thần kinh do bức xạ gây ra. Bước tiếp theo của nhóm sẽ là đưa các tác động của hóa học phân hủy phóng xạ vào mô phỏng và sau đó, khi có thêm dữ liệu thực nghiệm, sẽ suy ra đặc tính hóa lý nào chịu trách nhiệm cho những thay đổi trong chức năng sinh học.
