A hosszú távú, személyzetes űrrepülésekhez való visszatérés miatt az űrhajósoknak jelentős kockázatokkal kell szembenézniük az űrsugárzásnak való kitettség miatt. A galaktikus kozmikus sugarak (GCR-ek) különös kihívást jelentenek, mivel nem könnyen árnyékolhatók, és a dózisteljesítményük akár 0.5 mGy/nap is.
A központi idegrendszer tartós besugárzása komoly aggodalomra ad okot, mind az űrhajósok hosszú távú egészsége, mind a küldetés általános sikere szempontjából. A rágcsálókon végzett vizsgálatok viselkedésbeli változásokat mutattak ki az 50 mGy-ig terjedő sugárdózist követően. A sugárterápiával kezelt betegek kognitív és memóriazavarokat is tapasztaltak, igaz, sokkal nagyobb sugárdózis mellett. De az űrhajósok számára nehéz pontos kockázatbecslést végezni, részben a széles spektrumú GCR-mező laboratóriumi emulációjának technikai kihívásai miatt.
Az elmúlt években a NASA Space Radiation Laboratory egy új GCR szimulátort (GCRSim) sugárbiológiai kísérletei miatt. A GCRSim spektrum 33 ion-energia kombinációt tartalmaz, és nagyon hasonlít arra a sugárzási környezetre, amelyet az űrhajósok a Holdra és a Marsra utazva tapasztalhatnak.
Most egy kutatócsoport Harvard Egyetem és a Massachusetts General Hospital elvégezte a GCRSim első nanométeres léptékű számítási elemzését valósághű neurongeometriában. A csapat reméli, hogy a szimulációk, amelyeket bemutattak Fizika az orvostudományban és a biológiában, segít a GCRSim kísérleteket végző kutatóknak a biológiai adatok értelmezésében.
"A tanulmány motivációja az volt, hogy szimulálja az idegsejtek energialerakódását valósághű űrrepülési körülmények között, amelyek a földi radiobiológiai kísérletek során is megismételhetők" - mondta az első szerző. Jónás Péter megmondja Fizika Világa.
A neuron modellezése
Úgy gondolják, hogy a sugárzás által kiváltott viselkedési változások részben az agy hippokampuszában lévő neuronok károsodásából erednek. Különösen a szubneuronális struktúrák, például a dendritek (az idegsejt elágazó nyúlványai) és a dendrittüskék (a dendritekből származó apró kiemelkedések) besugárzása okozhat kognitív hanyatlást. Ezt szem előtt tartva Peter és munkatársai felléptek in silico egy reprezentatív hippocampális neuron rekonstrukciója, beleértve a szómát (sejttestet), a dendriteket és több mint 3500 dendrittüskét.
A csapat Monte Carlo szimulációkat használt a részecskenyomok modellezésére a neuronon keresztül minden egyes GCRSim ion-energia kombinációhoz, amely 14 különböző energiájú protont és alfa-részecskét, valamint öt nehezebb iont tartalmazott.
Minden szimulációnál a teljes elnyelt dózist a teljes neuronra 0.5 Gy-re skálázták, arra a hozzávetőleges dózisra, amelyet egy űrhajós tapasztalt egy 2-3 éves Mars-küldetés során, valamint a GCRSim-kísérletekben használt dózisra.
A modell GCRSim besugárzás után 0.54±0.09, 0.47±0.02 és 0.8±0.5 Gy abszorbeált dózist prognosztizált a szómára, a dendritekre és a tüskékre, ami 0.5 Gy-tól tér el a besugárzási profil inhomogenitása miatt alacsony fluencia mellett. "Ez sztochasztikus ingadozásokhoz vezet az elnyelt dózisban, ami a kisebb struktúráknál feltűnőbbé válik" - magyarázza Peter.
A kutatók három dendrites gerinctípus (gombás, vékony és tömzsi tüskék) energialerakódását is elemezték. Azt találták, hogy a gombatüskék a gerinc teljes energialerakódásának körülbelül 78%-át kapják nagyobb átlagos térfogatuk miatt, ami nagyobb kockázatot jelenthet a sugárzás okozta károsodásoknak.
Energia lerakódás
A GCRSim spektrumban lévő összes primer ion nagy energiája miatt mindegyik ion energiájának nagy részét másodlagos elektronokon keresztül a neuronba rakja le. A csapat megvizsgálta az ehhez az energialerakódáshoz kapcsolódó különféle fizikai folyamatokat, és megállapította, hogy a domináns hozzájárulás (59%) az ionizációknak köszönhető. Ez jelentős, mivel az ionizációk okozzák a legnagyobb energialerakódást eseményenként, így különösen károsak.
0.5 Gy-es GCRSim neurondózis esetén a szimulációk átlagosan 1760±90 energialerakódási eseményt jósoltak dendrithosszúság mikrométerenként, ebből 250±10 ionizáció. Ezen kívül átlagosan 330±80, 50±20 és 30±10 esemény volt gombánként, vékony és tömzsi gerincen, ebből gerincenként 50±10, 7±2 és 4±2 ionizáció.
Az energialerakódási események dendritek közötti térbeli eloszlását értékelve kiderült, hogy a GCRSim expozíció nagyon alacsony dózisok mellett az összes dendritszegmens protonsugárzását eredményezi. Az alfa-részecskék általi széles körben elterjedt besugárzás az űrrepülés szempontjából releváns dózisok mellett is valószínű volt, míg a nehezebb ionok besugárzása viszonylag ritka.
„Még mindig sok a bizonytalanság a körül, hogy a GCR besugárzás mely aspektusai felelősek végső soron a megismerés vagy a viselkedés esetleges változásaiért” – magyarázza Peter. "Eredményeink azt sugallják, hogy néhány hónapos űrrepülés után még a kisméretű struktúrák, például a neuronális dendritek széles körben elterjedt besugárzása is valószínű."
Ha az ilyen ismétlődő, széles körben elterjedt besugárzás valóban a neuronális működési zavarok mozgatórugója, ez azt jelentheti, hogy a kiterjedt mélyűri küldetések aránytalanul veszélyesebbek, mint az alacsony Föld körüli pályán való rövid tartózkodás. Peter megjegyzi, hogy további kísérleti adatokra van szükség ahhoz, hogy bármilyen végleges következtetést le lehessen vonni.
Kozmikus kihívás: a szuperszámítógépek védelme a földönkívüli fenyegetésekkel szemben
Végül a kutatók összehasonlították eredményeiket a használatával kapottakkal SimGCRSim, a NASA kísérleteiben is alkalmazott leegyszerűsített spektrum. Azt találták, hogy a 33-sugaras GCRSim és a 6-sugaras SimGCRSim besugárzási profilok nagyon hasonló fluenciákat és energialerakódási mintákat produkáltak az egyneuron skálán.
A végső cél, mondja Peter, a sugárzás által kiváltott neuronális diszfunkció mechanikus modelljének kidolgozása. A csapat következő lépése az lesz, hogy a radiolitikus kémia hatásait bevonja a szimulációkba, majd ha több kísérleti adat áll rendelkezésre, kikövetkezteti, mely fizikai-kémiai tulajdonságok felelősek a biológiai funkció változásáért.
