Missioni spaziali: i raggi cosmici galattici pericolosi per gli astronauti

 

 

Lunghe missioni nello spazio, come un ipotetico viaggio verso Marte, potrebbero danneggiare il sistema nervoso degli astronauti. Un nuovo studio indaga i possibili danni indotti dalle radiazioni cosmiche.

Con l’imminente ritorno ai voli spaziali con equipaggio di lunga durata, gli astronauti dovranno affrontare rischi significativi derivanti dall’esposizione alle radiazioni spaziali. I raggi cosmici galattici (GCR) rappresentano una sfida particolare in quanto non sono facilmente schermati e hanno dosi fino a 0,5 mGy/die.

In pratica gli astronauti possono assorbire radiazioni ionizzanti, come quelle usate per la cura dei tumori, ma in modo non localizzato, bensì su tutto il corpo.

L’irradiazione sostenuta al sistema nervoso centrale è una delle principali preoccupazioni, sia per la salute a lungo termine degli astronauti che per il successo complessivo della missione.

Studi sui roditori hanno dimostrato cambiamenti comportamentali in seguito all’esposizione a dosi di radiazioni fino a 50 mGy. I pazienti trattati con radioterapia hanno anche sperimentato disturbi cognitivi e della memoria, anche se a dosi di radiazioni molto più elevate.

Ma una stima accurata del rischio per gli astronauti è difficile, in parte a causa delle sfide tecniche di emulare il campo GCR ad ampio spettro in un laboratorio.

Negli ultimi anni, lo Space Radiation Laboratory della NASA ha utilizzato un nuovo simulatore GCR (GCRSim) per i suoi esperimenti di radiobiologia. Lo spettro GCRSim comprende 33 combinazioni di energia ionica e ricorda da vicino l’ambiente di radiazione che gli astronauti sperimenteranno nei viaggi verso la Luna e Marte.

Ora un gruppo di ricerca dell’Università di Harvard e del Massachusetts General Hospital ha eseguito la prima analisi computazionale su scala nanometrica di GCRSim in una geometria neuronale realistica. Il team spera che le simulazioni, presentate in Physics in Medicine & Biology, aiuteranno i ricercatori che eseguono esperimenti GCRSim a interpretare i dati biologici.

“La motivazione di questo studio era quella di simulare la deposizione di energia impartita a un neurone in condizioni realistiche di volo spaziale che può anche essere replicata durante esperimenti di radiobiologia a terra”, dice il primo autore Jonah Peter.

Si ritiene che i cambiamenti comportamentali indotti dalle radiazioni derivino in parte da danni ai neuroni nell’ippocampo del cervello. In particolare, l’irradiazione di strutture sub-neuronali come i dendriti (estensioni ramificate della cellula nervosa) e le spine dendritiche (piccole sporgenze dai dendriti) può causare declino cognitivo.

Con questo in mente, Peter e colleghi hanno eseguito ricostruzioni in silico di un neurone ippocampale rappresentativo, tra cui il soma (corpo cellulare), dendriti e oltre 3500 spine dendritiche.

Il team ha utilizzato simulazioni Monte Carlo per modellare le tracce di particelle attraverso il neurone per ogni combinazione di ioni ed energia GCRSim, che includeva 14 diverse energie di protoni e particelle alfa, più cinque ioni più pesanti.

Per tutte le simulazioni, la dose totale assorbita sull’intero neurone è stata scalata a 0,5 Gy, la dose approssimativa sperimentata da un astronauta durante una missione su Marte di 2-3 anni e la dose utilizzata negli esperimenti GCRSim.

I ricercatori hanno anche analizzato la deposizione di energia per tre tipi di spine dendritiche (spine a funghi, sottili e tozze). Hanno scoperto che le spine dei funghi ricevono circa il 78% della deposizione totale di energia della colonna vertebrale a causa del loro volume medio più grande, che potrebbe metterli a maggior rischio di danni indotti dalle radiazioni.

Ogni ione deposita la maggior parte della sua energia nel neurone tramite elettroni secondari. Il team ha studiato i vari processi fisici associati a questa deposizione di energia e ha scoperto che il contributo dominante (59%) proveniva dalle ionizzazioni. Questo è significativo, poiché le ionizzazioni infliggono la più grande deposizione di energia per evento, rendendole particolarmente dannose.

Per una dose di neuroni GCRSim di 0,5 Gy, le simulazioni hanno previsto una media di 1760±90 eventi di deposizione di energia per micrometro di lunghezza dendritica, 250±10 dei quali erano ionizzazioni.

La valutazione della distribuzione spaziale degli eventi di deposizione di energia in tutti i dendriti ha rivelato che l’esposizione a GCRSim provoca l’irradiazione protonica di tutti i segmenti dendritici a dosi molto basse.

L’irradiazione diffusa da particelle alfa era probabile anche a dosi rilevanti per il volo spaziale, mentre l’irradiazione da ioni più pesanti era relativamente rara.

“C’è ancora molta incertezza su quali aspetti dell’irradiazione GCR siano in definitiva responsabili di eventuali cambiamenti nella cognizione o nel comportamento”, spiega Peter. “I nostri risultati suggeriscono che l’irradiazione diffusa anche di strutture su piccola scala come i dendriti neuronali è probabile dopo pochi mesi di volo spaziale”.

Se tale irradiazione ripetuta e diffusa è davvero il motore della disfunzione neuronale, ciò potrebbe implicare che le missioni estese nello spazio profondo sono sproporzionatamente più pericolose delle brevi permanenze nell’orbita terrestre bassa. Peter osserva che sono necessari ulteriori dati sperimentali, tuttavia, prima di poter trarre conclusioni definitive.

Infine, i ricercatori hanno confrontato i loro risultati con quelli ottenuti utilizzando SimGCRSim, uno spettro semplificato impiegato anche negli esperimenti della NASA. Hanno scoperto che i profili di irradiazione GCRSim a 33 fasci e SimGCRSim a 6 fasci producevano fluenze e modelli di deposizione di energia altamente simili su scala a singolo neurone.

L’obiettivo finale, dice Peter, è quello di sviluppare un modello meccanicistico di disfunzione neuronale indotta dalle radiazioni. Il prossimo passo del team sarà quello di includere gli effetti della chimica radiolitica nelle simulazioni e poi, quando saranno disponibili più dati sperimentali, di dedurre quali proprietà fisico-chimiche sono responsabili dei cambiamenti nella funzione biologica.

Immagine: Nasa