Met de aanstaande terugkeer naar langdurige bemande ruimtevluchten, zullen astronauten aanzienlijke risico's lopen door blootstelling aan ruimtestraling. Galactische kosmische straling (GCR's) vormen een bijzondere uitdaging omdat ze niet gemakkelijk worden afgeschermd en een dosis hebben van wel 0.5 mGy/dag.
Langdurige bestraling van het centrale zenuwstelsel is een groot probleem, zowel voor de gezondheid van astronauten op de lange termijn als voor het algehele succes van de missie. Studies bij knaagdieren hebben gedragsveranderingen aangetoond na blootstelling aan stralingsdoses van slechts 50 mGy. Patiënten die met radiotherapie worden behandeld, hebben ook cognitieve en geheugenstoornissen ervaren, zij het bij veel hogere stralingsdoses. Maar nauwkeurige risico-inschatting voor astronauten is moeilijk, deels vanwege de technische uitdagingen van het nabootsen van het breedspectrum GCR-veld in een laboratorium.
In de afgelopen jaren heeft het NASA Space Radiation Laboratory een nieuwe GCR-simulator gebruikt (GCR Sim) voor zijn radiobiologische experimenten. Het GCRSim-spectrum omvat 33 ion-energiecombinaties en lijkt sterk op de stralingsomgeving die astronauten zullen ervaren tijdens reizen naar de maan en Mars.
Nu een onderzoeksteam van Harvard University en Massachusetts General Hospital heeft de eerste computationele analyse op nanometerschaal van GCRSim uitgevoerd in een realistische neurongeometrie. Het team hoopt dat de simulaties, gepresenteerd in Physics in Medicine & Biology, helpt onderzoekers die GCRSim-experimenten uitvoeren biologische gegevens te interpreteren.
"De motivatie voor deze studie was om de energiedepositie te simuleren die aan een neuron wordt gegeven onder realistische ruimtevluchtomstandigheden die ook kan worden gerepliceerd tijdens radiobiologische experimenten op de grond," eerste auteur Jona Peter vertelt Natuurkunde wereld.
Het neuron modelleren
Aangenomen wordt dat door straling veroorzaakte gedragsveranderingen gedeeltelijk het gevolg zijn van schade aan neuronen in de hippocampus van de hersenen. Met name bestraling van subneuronale structuren zoals dendrieten (vertakte verlengingen van de zenuwcel) en dendritische stekels (kleine uitsteeksels van de dendrieten) kan cognitieve achteruitgang veroorzaken. Met dit in gedachten traden Peter en collega's op in silicium reconstructies van een representatief hippocampaal neuron, inclusief de soma (cellichaam), dendrieten en meer dan 3500 dendritische stekels.
Het team gebruikte Monte Carlo-simulaties om deeltjessporen door het neuron te modelleren voor elke GCRSim-ion-energiecombinatie, die 14 verschillende energieën van protonen en alfadeeltjes omvatte, plus vijf zwaardere ionen.
Voor alle simulaties werd de totale geabsorbeerde dosis over het gehele neuron geschaald naar 0.5 Gy, de geschatte dosis die een astronaut ervaart tijdens een Mars-missie van 2-3 jaar, en de dosis die wordt gebruikt in GCRSim-experimenten.
Het model voorspelde geabsorbeerde doses voor de soma, dendrieten en stekels na GCRSim-bestraling van respectievelijk 0.54 ± 0.09, 0.47 ± 0.02 en 0.8 ± 0.5 Gy - afwijkend van 0.5 Gy vanwege inhomogeniteiten in het bestralingsprofiel bij lage fluentie. "Dit leidt tot stochastische fluctuaties in de geabsorbeerde dosis, die prominenter worden voor kleinere structuren", legt Peter uit.
De onderzoekers analyseerden ook de energiedepositie voor drie typen dendritische wervelkolom (champignon, dunne en stompe stekels). Ze ontdekten dat de stekels van paddenstoelen ongeveer 78% van de totale energiedepositie van de ruggengraat ontvangen vanwege hun grotere gemiddelde volume, waardoor ze een groter risico lopen op door straling veroorzaakte schade.
Energie depositie
Vanwege de hoge energieën van alle primaire ionen in het GCRSim-spectrum, deponeert elk ion het grootste deel van zijn energie in het neuron via secundaire elektronen. Het team onderzocht de verschillende fysieke processen die verband houden met deze energiedepositie en ontdekte dat de dominante bijdrage (59%) afkomstig was van ionisaties. Dit is aanzienlijk, aangezien ionisaties de grootste energieafzetting per gebeurtenis veroorzaken, waardoor ze bijzonder schadelijk zijn.
Voor een GCRSim-neurondosis van 0.5 Gy voorspelden de simulaties een gemiddelde van 1760 ± 90 energieafzettingsgebeurtenissen per micrometer dendritische lengte, waarvan 250 ± 10 ionisaties. Bovendien waren er gemiddeld 330 ± 80, 50 ± 20 en 30 ± 10 gebeurtenissen per paddenstoel, respectievelijk dunne en stompe ruggengraat, inclusief 50 ± 10, 7 ± 2 en 4 ± 2 ionisaties per ruggengraat.
Het beoordelen van de ruimtelijke verdeling van energieafzettingsgebeurtenissen door de dendrieten onthulde dat GCRSim-blootstelling resulteert in protonbestraling van alle dendritische segmenten bij zeer lage doses. Wijdverspreide bestraling door alfadeeltjes was ook waarschijnlijk bij voor ruimtevluchten relevante doses, terwijl bestraling door zwaardere ionen relatief zeldzaam was.
"Er bestaat nog steeds veel onzekerheid over welke aspecten van GCR-bestraling uiteindelijk verantwoordelijk zijn voor eventuele veranderingen in cognitie of gedrag", legt Peter uit. "Onze resultaten suggereren dat wijdverbreide bestraling van zelfs kleinschalige structuren zoals neuronale dendrieten waarschijnlijk is na slechts een paar maanden ruimtevlucht."
Als een dergelijke herhaalde, wijdverbreide bestraling inderdaad de oorzaak is van neuronale disfunctie, zou dit kunnen betekenen dat langdurige missies in de diepe ruimte onevenredig gevaarlijker zijn dan korte verblijven in een lage baan om de aarde. Peter merkt op dat er echter meer experimentele gegevens nodig zijn voordat definitieve conclusies kunnen worden getrokken.
Kosmische uitdaging: supercomputers beschermen tegen een buitenaardse dreiging
Ten slotte vergeleken de onderzoekers hun resultaten met die verkregen met behulp van SimGCRSim, een vereenvoudigd spectrum dat ook wordt gebruikt in NASA-experimenten. Ze ontdekten dat de 33-beam GCRSim en de 6-beam SimGCRSim bestralingsprofielen zeer vergelijkbare fluenties en energiedepositiepatronen produceerden op de schaal van één neuron.
Het uiteindelijke doel, zegt Peter, is het ontwikkelen van een mechanistisch model van door straling veroorzaakte neuronale disfunctie. De volgende stap van het team zal zijn om de effecten van radiolytische chemie in de simulaties op te nemen en vervolgens, wanneer er meer experimentele gegevens beschikbaar zijn, af te leiden welke fysisch-chemische eigenschappen verantwoordelijk zijn voor veranderingen in de biologische functie.
