Comment les rayons cosmiques galactiques pourraient-ils affecter les astronautes voyageant vers Mars ?

Avec le retour imminent des vols spatiaux en équipage de longue durée, les astronautes seront confrontés à des risques importants liés à l'exposition aux rayonnements spatiaux. Les rayons cosmiques galactiques (GCR) posent un défi particulier car ils ne sont pas facilement protégés et ont des débits de dose aussi élevés que 0.5 mGy/jour.

L'irradiation soutenue du système nerveux central est une préoccupation majeure, tant pour la santé à long terme des astronautes que pour le succès global de la mission. Des études chez les rongeurs ont démontré des changements de comportement suite à une exposition à des doses de rayonnement aussi faibles que 50 mGy. Les patients traités par radiothérapie ont également connu des troubles cognitifs et de la mémoire, bien qu'à des doses de rayonnement beaucoup plus élevées. Mais l'estimation précise des risques pour les astronautes est difficile, en partie en raison des défis techniques liés à l'émulation du champ GCR à large spectre dans un laboratoire.

Ces dernières années, le Space Radiation Laboratory de la NASA a utilisé un nouveau simulateur GCR (GCRSim) pour ses expériences de radiobiologie. Le spectre GCRSim comprend 33 combinaisons ion-énergie et ressemble étroitement à l'environnement de rayonnement que les astronautes connaîtront lors de leurs voyages vers la Lune et Mars.

Aujourd'hui, une équipe de recherche de Université de Harvard ainsi que Massachusetts General Hospital a réalisé la première analyse informatique à l'échelle nanométrique de GCRSim dans une géométrie neuronale réaliste. L'équipe espère que les simulations, présentées dans Physique en médecine et biologie, aidera les chercheurs effectuant des expériences GCRSim à interpréter les données biologiques.

"La motivation de cette étude était de simuler le dépôt d'énergie transmis à un neurone dans des conditions de vol spatial réalistes qui peuvent également être reproduites lors d'expériences de radiobiologie au sol", a déclaré le premier auteur. Jonas Pierre raconte Monde de la physique.

Modélisation du neurone

On pense que les changements de comportement radio-induits résultent en partie de dommages aux neurones de l'hippocampe du cerveau. En particulier, l'irradiation des structures sous-neuronales telles que les dendrites (extensions ramifiées de la cellule nerveuse) et les épines dendritiques (minuscules saillies des dendrites) peut entraîner un déclin cognitif. Dans cet esprit, Peter et ses collègues ont exécuté in silico reconstructions d'un neurone représentatif de l'hippocampe, y compris le soma (corps cellulaire), les dendrites et plus de 3500 épines dendritiques.

L'équipe a utilisé des simulations de Monte Carlo pour modéliser les traces de particules à travers le neurone pour chaque combinaison ion-énergie GCRSim, qui comprenait 14 énergies différentes de protons et de particules alpha, plus cinq ions plus lourds.

Pour toutes les simulations, la dose totale absorbée sur l'ensemble du neurone a été mise à l'échelle à 0.5 Gy, la dose approximative subie par un astronaute au cours d'une mission de 2 à 3 ans sur Mars et la dose utilisée dans les expériences GCRSim.

Le modèle a prédit des doses absorbées au soma, aux dendrites et aux épines après irradiation GCRSim de 0.54 ± 0.09, 0.47 ± 0.02 et 0.8 ± 0.5 Gy, respectivement - s'écartant de 0.5 Gy en raison d'inhomogénéités dans le profil d'irradiation à faible fluence. "Cela conduit à des fluctuations stochastiques de la dose absorbée, qui deviennent plus importantes pour les petites structures", explique Peter.

Les chercheurs ont également analysé le dépôt d'énergie pour trois types d'épines dendritiques (épines en champignon, fines et trapues). Ils ont découvert que les épines des champignons reçoivent environ 78 % du dépôt total d'énergie de la colonne vertébrale en raison de leur volume moyen plus important, ce qui pourrait les exposer à un risque accru de dommages radio-induits.

Dépôt d'énergie

En raison des hautes énergies de tous les ions primaires du spectre GCRSim, chaque ion dépose la majeure partie de son énergie dans le neurone via des électrons secondaires. L'équipe a étudié les divers processus physiques associés à ce dépôt d'énergie et a découvert que la contribution dominante (59 %) provenait des ionisations. Ceci est important, car les ionisations infligent le plus grand dépôt d'énergie par événement, ce qui les rend particulièrement nocifs.

Pour une dose de neurones GCRSim de 0.5 Gy, les simulations ont prédit une moyenne de 1760 ± 90 événements de dépôt d'énergie par micromètre de longueur dendritique, dont 250 ± 10 étaient des ionisations. De plus, il y avait une moyenne de 330 ± 80, 50 ± 20 et 30 ± 10 événements par champignon, épine fine et trapue, respectivement, dont 50 ± 10, 7 ± 2 et 4 ± 2 ionisations par épine.

L'évaluation de la distribution spatiale des événements de dépôt d'énergie dans les dendrites a révélé que l'exposition au GCRSim entraîne une irradiation aux protons de tous les segments dendritiques à de très faibles doses. Une irradiation généralisée par des particules alpha était également probable à des doses pertinentes pour les vols spatiaux, tandis que l'irradiation par des ions plus lourds était relativement rare.

"Il y a encore beaucoup d'incertitude quant aux aspects de l'irradiation GCR qui sont finalement responsables d'éventuels changements dans la cognition ou le comportement", explique Peter. "Nos résultats suggèrent qu'une irradiation généralisée de structures même à petite échelle comme les dendrites neuronales est probable après seulement quelques mois de vol spatial."

Si une telle irradiation répétée et généralisée est effectivement le moteur du dysfonctionnement neuronal, cela pourrait impliquer que les missions prolongées dans l'espace lointain sont disproportionnellement plus dangereuses que les courts séjours en orbite terrestre basse. Peter note que davantage de données expérimentales sont nécessaires, cependant, avant que des conclusions définitives puissent être tirées.

Enfin, les chercheurs ont comparé leurs résultats à ceux obtenus en utilisant SimGCRSim, un spectre simplifié également utilisé dans les expériences de la NASA. Ils ont découvert que les profils d'irradiation GCRSim à 33 faisceaux et SimGCRSim à 6 faisceaux produisaient des fluences et des modèles de dépôt d'énergie très similaires à l'échelle d'un seul neurone.

Le but ultime, dit Peter, est de développer un modèle mécaniste de dysfonctionnement neuronal radio-induit. La prochaine étape de l'équipe sera d'inclure les effets de la chimie radiolytique dans les simulations puis, lorsque davantage de données expérimentales seront disponibles, d'en déduire quelles propriétés physico-chimiques sont responsables des modifications de la fonction biologique.