深空中的宇航员,大脑会因辐射出现长期损伤

国家空间科学中心

深空中的宇航员,大脑会因辐射出现长期损伤

在地球保护性大气层之外,没有任何东西可以保护宇航员免受宇宙危险的宇宙辐射。

图片来源:NASA

身处充满无限可能的深空,执行任务的宇航员常常会面对不同程度的危险。在各种好莱坞科幻惊悚片中,这些勇敢的太空探险家与恶意满满的外星人斗智斗勇、与搭错线失去控制的机器来回周旋、在小行星和太空碎片之间追逐躲藏。虽然这些影视中的描述都是可能存在的问题,无论是现在已经遇到的还是未来可能遭受的,但在现实世界里,宇航员们真正最大的危险,实际上可能是一个人眼无法观测到的东西,那就是太空辐射。

我们如今生活的地球,在很大程度上被包裹这颗星球的大气层和磁场保护着,让人类和其他生活在地球上的生命不受宇宙辐射的伤害;当宇航员飞出这层巨大的保护气泡时,被称为“银河宇宙射线”(Galactic Cosmic Rays,GCR)、来自太阳系以外的银河系高能粒子就会带着极大的攻击性轰击他们的身体。目前,科学家认为银河宇宙射线是超新星的残余物,与太阳射出的质子和氦原子核一起,形成了太空之中的辐射环境。

无论是正在进行的阿尔忒弥斯(Artemis)登月计划,还是未来的火星登陆计划,保证宇航员安全执行任务都离不开应对这些高能的宇宙粒子,因此,对于太空辐射的研究也从未止步。来自加利福尼亚大学尔湾分校(University of California, Irvine)和斯坦福大学(Stanford University)的一个研究团队一直致力于研究身处太空辐射环境中,会给宇航员的健康带来怎样的影响,其中令人最为担心的后果,就是这些宇宙辐射会对人类大脑造成负面影响。

在一项发表于eNeuro的最新研究中,该研究团队将小鼠置于模拟的太空环境中,让它们在低剂量的辐射环境里生活了6个月之久,结果表明,宇宙辐射会损害小鼠的大脑功能,阻碍小鼠海马区和前额皮质区细胞的信息交流,导致学习、记忆和情绪障碍。如果这一实验结果适用于人类,则可能影响一个人在意外或压力情况下适应和应对的能力,也就是说,宇宙辐射可能会危及宇航员的安全和任务的成功率。

在地球上模拟太空辐射

加利福尼亚大学尔湾分校的辐射生物学家珍妮特•E•鲍尔奇(Janet E. Baulch)和查尔斯•利莫利(Charles Limoli)表示,他们和其他辐射生物学家一样,特别关注宇航员,因为凭借目前的技术,科学家还没有办法保护他们免受太空辐射的侵害,或将太空辐射完全阻挡。

宇宙中的高能粒子以接近光速的速度穿行于太空之中,如果途中撞上执行任务的航天器,就会碎裂开产生中子等更小的粒子,而这些碎裂产物具有能穿透人体的能量。当中子与人体内其他的原子核相互作用时,就会进一步产生自由基,破坏细胞膜、DNA和器官中的其他精细结构。研究团队认为,对于大脑而言,这些粒子会破坏大脑细胞或神经元的微观结构,包括树突区域、连接其他脑细胞的线状突起、髓鞘和神经突触,而这些结构对于形成大脑网络和交流表达都至关重要。

美国航空航天局(NASA)资助了太空辐射暴露对宇航员影响的研究,已有的研究结果表明,暴露在太空辐射之中会给大脑带来损伤。目前的研究结果将促进研究人员关于太空辐射对大脑功能危害的理解,从而在未来制定相应的策略,来解决或预防这些问题、促进更加安全的人类太空探索。

在深空之中,随着太空旅行的进行,太空辐射其实是一点一点侵入宇航员体内的,而非短时间内就达到高剂量的辐射暴露,直到最近才有数据让研究人员发现这一点。在之前的研究中,辐射暴露在短短几分钟内就传递给了实验用的啮齿动物,而这并不能准确地模拟未来宇航员在火星任务中会经历的情况。

现在,科罗拉多州立大学(Colorado State University)的物理学家已经开发出了一种设备,让研究人员能够给实验动物缓慢地投射深空辐射(1毫克每天),更为准确地模拟宇航员所处的太空环境。

鲍尔奇的研究团队正是使用了这种中子设备,来测量这种模拟的太空辐射暴露对小鼠大脑的影响。

深空中的宇航员,大脑会因辐射出现长期损伤

地球磁场保护我们的星球免受来自太阳耀斑(solar flare)和宇宙大爆炸(Big Bang)的宇宙辐射侵扰。

图片来源:Naeblys

神经连接断裂,大脑记忆丢失

研究团队让小鼠在这种低水平的中子辐射环境里待了六个月,然后检查了它们大脑中的神经元。利用电流,这些特殊的神经细胞能在整个大脑中传递信息、存储记忆,他们发现,在“辐射小鼠”的大脑中,连接神经元形成网络的回路出现了问题,不再能够有效地传递信息。这可能是由于神经元上的精细结构遭到了损坏,甚至可能有些神经回路的连接被完全破坏了。这两种损伤都可能对认知功能产生不利影响。

这种深空辐射诱导的神经元变化,可能会进一步引发宇航员在太空任务中的行为表现问题,从而给宇航员带来潜在的危险,因此研究人员还利用这些“辐射小鼠”探究了辐射诱导的神经元变化与行为表现之间的联系。

行为研究的结果表明,在中子辐射中待了六个月的小鼠在学习能力、适应能力和记忆储存方面都存在一定困难。例如,与之前已经见过的玩具相比,这些小鼠对放置在测试台上的新玩具不太容易产生兴趣;而相反地,对照组小鼠在新玩具上花费的探索时间远多于已经见过的旧玩具。另一测试中的情况也很类似,对于一堆玩具中被移动到新位置的那一部分,“辐射小鼠”也不太能表现出兴趣。这些行为都表明“辐射小鼠”的记忆功能受到了损伤。

社交问题

与没有接受辐射的对照相小鼠相比,“辐射小鼠”更倾向于避免进行社交互动,也更难遗忘或走出过去发生的负面事件:这些太空辐射引起的变化表明,小鼠的焦虑水平变高了。

综上所述,将没有暴露在辐射环境中的正常小鼠与接受了六个月中子辐射小鼠的行为进行比较,所发现的大脑功能变化在一定程度上代表了人类大脑在太空辐射中会发生的变化,而现有的结果表明,太空辐射可能会显著削弱宇航员在压力较大下或突发状况时作出反应的能力。实际上,在将啮齿动物的行为研究结果换算成人类的相关风险之后,研究人员预估,如果有5名宇航员乘坐航天器往返火星,那么至少将有1名宇航员在返回地球后表现出严重的认知功能障碍。

目前这项研究只代表了一次的实验结果,还必须进行重复性验证,但它确确实实让我们所知的太空辐射危害性变得更为明晰和严重,暴露在银河宇宙辐射之中可能成为深空旅行的重大障碍。然而,与其他技术挑战一样,我们希望研究人员能够找到相应的解决方案,或许是发展某种新材料,使其能以某种方式保护宇航员免受太空辐射;又或许是特别的饮食调整或药物补充。

参考:

[1]https://theconversation.com/astronauts-brains-are-subject-to-long-lasting-damage-due-to-low-dose-space-radiation-121407

[2] http://doi.org/10.1523/eneuro.0444-18.2019

[3] http://doi.org/10.1038/srep34774

[4] https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2018.03.009

[5] https://source.colostate.edu/space-radiation-csu-studies-the-risks-for-astronauts-journeying-to-mars/

来源:NASA爱好者

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