随着人类重新启动长期载人航天计划，宇航员在太空中暴露于辐射的风险再次成为关注焦点。
其中，银河宇宙射线（GCR）尤为棘手——它们几乎无法完全屏蔽，每天的剂量率可高达 0.5 mGy。
科学家特别担心的是这些射线对中枢神经系统的持续影响。研究显示，即便是低至 50 mGy 的辐射，也能让啮齿动物出现行为变化。而在接受放疗的病人中，高剂量辐射也与记忆力和认知问题有关。不过，想要准确评估宇航员面临的风险仍然困难，因为在实验室中模拟出完整的 GCR 能谱本身就充满挑战。
新的太空辐射模拟器
为了更真实地再现宇航员在月球和火星任务中将经历的辐射环境，美国宇航局空间辐射实验室（NSRL）开发了一种新的 GCR 模拟器（GCRSim）。
这套系统包含 33 种离子与能量组合，能够模拟出与深空环境非常接近的辐射条件。
最近，哈佛大学与麻省总医院的研究团队在《医学与生物学物理学》期刊上发表研究，他们首次在纳米尺度上分析了 GCRSim 对神经元能量沉积的影响。
研究目标是帮助放射生物学实验人员更好地解释 GCRSim 实验中的生物数据。
“我们希望能够在实验中尽可能逼真地重现太空飞行时神经元所受到的能量沉积情况，”研究第一作者乔纳·彼得（Jonah Peter）解释道。
神经元的计算机重建
辐射对行为的影响被认为与海马体神经元受损有关。海马体是掌管学习与记忆的重要脑区。
研究团队利用计算机对典型的海马神经元进行了三维重建，包括细胞体、树突及 3500 多个树突棘。
他们使用蒙特卡洛模拟追踪每一种 GCRSim 离子-能量组合的粒子路径，其中涵盖 14 种能量水平的质子与 α 粒子，以及 5 种较重离子。
在所有模拟中，神经元的总吸收剂量都被调整为 0.5 Gy，这大致相当于宇航员在两三年火星任务中会经历的总剂量。
模拟结果显示，体细胞、树突与树突棘的平均吸收剂量分别为 0.54、0.47 和 0.8 Gy。研究人员指出，由于辐射在微观结构中的分布不均，小尺度结构的剂量波动会更明显。
不同神经元结构的风险差异
进一步分析发现，三种树突棘类型——蘑菇棘、细棘和粗棘——在能量沉积上存在显著差异。
其中，蘑菇棘因体积较大，吸收的能量占比高达约 78%，可能因此更易受到辐射损伤。
团队还发现，在 0.5 Gy 的总剂量下，每微米树突长度平均发生约 1760 次能量沉积事件，其中约 250 次为电离事件。
由于电离会造成能量的集中释放，这类事件被认为是导致细胞损伤的主要因素。
在不同棘类型中，每个蘑菇棘平均经历约 50 次电离，而细棘和粗棘分别为 7 次与 4 次。
模拟揭示的更深问题
能量沉积的空间分布分析显示，GCRSim 模拟的照射环境下，大多数树突片段都暴露在低剂量的质子辐射中，α 粒子也能覆盖较大范围；相比之下，重离子事件虽然罕见，却会造成局部高强度照射。
“哪些类型的照射最终会导致行为或认知功能改变，仍是未知数，”Peter 说，“但我们的结果表明，即使是微小的神经结构，也可能在短短几个月的太空任务中多次受到辐射打击。”
这意味着，长期深空任务可能比近地轨道任务更具风险。不过，在得出结论前，科学家还需要更多的实验数据来验证模型预测。
向更精确的模型迈进
团队还将此次结果与 NASA 使用的简化版光谱 SimGCRSim 进行了对比，发现二者在单个神经元尺度上产生的能量分布模式几乎一致。
研究人员的下一步目标是建立辐射引发神经元功能障碍的完整机制模型。他们计划在未来的模拟中加入放射化学效应，并结合新的实验数据，进一步揭示哪些物理与化学过程在大脑中造成了最深远的影响。
这项研究为评估宇航员在深空任务中的健康风险提供了重要线索，也为未来的太空防护技术奠定了基础。
也许在不久的将来，我们不仅需要更坚固的飞船，更需要能保护大脑的“隐形盾牌”。
本文译自：physicsworld ，由olaola编辑发布