輻射會成為火星任務的絆腳石嗎？

千百年來，人類一直仰望夜空，夢想著前往星辰大海。現在人類已經登上月球，並在空間站中生活，我們似乎不可避免地會走得更遠，前往火星、太陽系的其他地方以及更遠的宇宙。這個夢想是許多文化共通的，併為世界各國航天機構所追求。

然而，我們知道太空是危險的。每次宇航員離開地球，他們都面臨著極度寒冷、缺乏大氣層、微重力和輻射暴露。到目前為止，這些危險似乎大多是可以克服的——僅僅是需要解決的工程問題，以及勇敢的太空旅行者願意承擔的風險。然而，我和其他人的新研究表明，太空中的輻射可能比我們想象的更具破壞性，尤其是對脆弱而至關重要的人類大腦。儘管科學家們幾十年來一直知道太空的放射性，但直到最近才有證據表明輻射對大腦的影響有多麼嚴重以及持續多久。

透過照射小鼠，我的同事和我測量到了顯著且持久的認知障礙，這可能也會轉化為人類，潛在地危及太空任務的成功。儘管在相對低空飛行的國際空間站上的宇航員在很大程度上受到地球大氣層邊緣的保護，免受最糟糕的影響，但他們仍然面臨著一些認知損傷的風險。然而，對於前往火星及更遠地方的航行者來說，危險可能是嚴重的。

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我們目前在減輕這些危險方面的能力有限。改進航天器的遮蔽可以阻擋一些輻射，但沒有已知材料足夠輕便以至實用。可以對抗體內輻射影響的藥物尚處於早期階段。除非我們找到成功的解決方案，否則人類在整個太陽系及更遠地方旅行的夢想可能永遠遙不可及。

強大的粒子

宇宙輻射是隱匿的——我們看不到也感覺不到它，但它充滿了看起來空無一物的空間，並且會對人體組織造成重大損害。對宇航員最危險的是銀河宇宙射線 (GCR)，即以接近光速飛行的帶電原子核，天文學家認為它起源於已死亡恆星的超新星遺蹟。除了普遍存在於宇宙中的 GCR 之外，我們的太陽還會噴射出多種能量的質子（電離氫）。儘管質子構成了太空中的大部分輻射，但由於其質量較輕，與較重的粒子相比，它們對我們身體造成的損害要小得多。最重要的是，所有這些粒子都具有足夠的能量穿透航天器的船體和宇航員的身體。地球周圍的磁場透過將大部分宇宙粒子偏離地表來保護地球居民，而超越磁層旅行會導致不可避免的暴露以及這些粒子與人體組織相互作用的不幸後果。

宇宙輻射的問題在於，當這些粒子穿過人體時，它們會留下自身的一些能量，這些能量會“電離”組織中的原子——也就是說，將電子從原子上擊落，導致它們從不帶電的原子變成帶電離子。然後，帶電粒子沿著自己的軌跡移動，擊落更多的電子併產生次級徑跡，從而造成不斷擴大的損害軌跡。輻射粒子越重，它擁有的能量就越多，它電離的原子也就越多。

這些電子的重新分佈導致一些原子斷裂其分子鍵，從而損害蛋白質、脂質、核酸以及身體細胞和組織中的其他重要分子。電子的移除形成自由基——原子或分子，它們缺乏填滿其原子軌道的全部電子，這使得它們具有高度的反應性，並且渴望與其他原子或分子中的電子配對，以填滿它們的軌道。然後，自由基可以與體內的其他分子反應，將它們變成新的化學物質，而這些化學物質不再具有其原始用途。例如，當自由基遇到 DNA 時，它們可以破壞其糖磷酸骨架或損害核酸鹼基。

科學家以“吸收劑量”來測量輻射暴露——輻射損失並在體內沉積的能量（單位質量）。吸收劑量的 SI 單位是戈瑞 (Gy)，其中 1 Gy 為每千克一焦耳。輻射也具有不同的“質量”，指的是它單位劑量產生的電離密度。科學家透過其線效能量傳遞 (LET) 或每單位距離損失的能量來表徵輻射型別。例如，高 LET 輻射劑量比相同劑量的低 LET 輻射更危險，因為它留下更多的能量，因此導致更多的原子電離。因此，由此造成的損害更難讓細胞修復和恢復。由於 GCR 中遇到的許多輻射型別都具有相對較高的 LET，因此這一特性對深空旅行具有重要的意義，我們將在稍後討論。

與質量較低的粒子相比，高能重的輻射粒子可以留下更高自由基密度的徑跡，並增加電離造成的破壞。在分子水平上，我們發現奈米級寬度的區域具有高自由基密度，這可能導致相對較小的體積包含大量關鍵分子上的受損部位。因此，與光子輻射（如 X 射線和伽馬射線）相比，較重的帶電粒子會產生更高產量的這些“簇狀”損傷區域。正是這種損傷密度使得太空輻射比地球上發現的傳統型別的電離輻射更危險。

在地球上重現太空

儘管帶電粒子在太空中無處不在，但在地球上重現這些型別的輻射場以研究其影響提出了相當大的挑戰。我們可以在地球上進行模擬太空輻射實驗的唯一場所之一是 NASA 太空輻射實驗室，該設施是 NASA 和布魯克海文國家實驗室於 2003 年在長島委託建立的。在那裡，大型粒子加速器將各種質量的離子加速到接近太空輻射的速度。實驗人員，包括我自己，將目標——在我們的例子中是小鼠——放置在這種輻射的路徑中，並測量其影響。這些測試可以向我們展示特定型別的宇宙輻射在不同劑量下如何影響活體組織。

最近，我們將六個月大的小鼠暴露於低劑量（0.05 至 0.30 Gy）的帶電粒子（例如氧和鈦），並測試了它們的行為。小鼠完成了稱為新物體識別 (NOR) 和物體位置 (OiP) 的任務，以評估輻射如何影響它們的記憶和思維。首先，齧齒動物探索了一個大約三平方英尺的空盒子。然後，我們在盒子中引入了樂高積木、橡皮鴨和其他玩具，讓小鼠四處遊蕩了一會兒。稍後——在一些試驗中僅幾分鐘後，而在另一些試驗中幾小時或一天後——我們用新玩具替換了物體 (NOR) 或更改了玩具的位置 (OiP)。聰明、健康的動物會尋找新奇事物，並花費更多時間探索新玩具或位置，而不是保持不變的物體，而受損的小鼠會花費更少的時間四處探索。此類測試已被證明是各種型別的海馬體（記憶和學習）和皮質（思維）功能的可靠指標。我們透過所謂的辨別指數來衡量動物的表現，該指數計算為在新物體或位置花費的時間除以在探索新舊情況的總時間。

我們使用 NOR 和 OiP 任務進行的實驗表明，輻射顯著降低了小鼠的辨別指數。六週後，暴露於這些劑量（5 和 30 cGy 或釐戈瑞）的小鼠的表現下降了約 90%，無論劑量如何，這種變化都出奇地一致。此外，最新的測試表明，這些影響在暴露後持續 12 周、24 周甚至 52 周。結果表明，暴露於類似水平的宇宙輻射可能會對從事關鍵決策、解決問題和其他重要任務活動的宇航員造成問題。

修剪神經樹

我的同事和我還透過對受輻射小鼠的大腦切片進行成像來跟進這些行為測試。穿過大腦的高能帶電粒子有可能深刻地改變神經元迴路。我們想觀察任何可能與我們發現的行為變化相關的特定物理損傷。為此，我們使用了基因改造的小鼠，使其大腦包含明亮的熒光神經元，這些神經元在高解析度顯微鏡下顯示出來。我們收集了特定大腦區域中不同深度的一系列熒光影像，然後將這些影像合併和拼接在一起，以建立大腦的三維表示。

我們的成像顯示神經元部分（稱為樹突）發生了顯著變化。這些是從主細胞體伸出的手指狀突起，接收來自其他神經元的化學訊號（類似的突起稱為軸突，用於傳輸訊號）。我們實驗室過去的研究發現，稀疏電離（低 LET）X 射線和伽馬射線輻射導致樹突的長度、面積和分支在 10 天和 30 天內顯著減少。我們將這些變化統稱為樹突複雜性降低，這是一個可以與樹枝進行比較的關鍵引數。我們最近發表在 2015 年《科學進展》雜誌上的研究也發現，極低劑量的帶電粒子可以引起樹突複雜性的顯著和持久的喪失。

此外，這些變化發生在被稱為內側前額葉皮層的大腦特定區域，已知該區域與記憶有關，我們懷疑根據我們的行為測試，該區域可能受到損害。這並不是說大腦的其他區域沒有受到損害，或者其他神經迴路沒有受到損害，但我們的發現證明了將行為研究與大腦成像相結合以將我們看到的認知能力下降與大腦特定區域的結構變化聯絡起來的好處。

我們在最初的成像基礎上進行了進一步的高解析度分析，以尋找其他結構改變的證據，例如樹突棘——微小的（小於一微米，或人頭髮寬度的一小部分）——從樹突主幹伸出的突起，使學習和記憶成為可能。如果樹突是樹上的樹枝，那麼樹突棘就像樹枝上的葉子。樹突棘包含允許樹突接收神經元訊號的突觸機制，並且它們具有不同的形狀，有助於完成各種工作。我們過去對 X 射線和質子的研究以及最近對帶電粒子的研究表明，樹突棘對輻射非常敏感。我們發現，在小鼠暴露後的短時間（10 天）和更長時間（六週）後，樹突棘密度或每單位長度的棘突數量顯著降低。這些嚴重且持久的影響證明了帶電粒子引起重要結構變化的能力——這些變化透過減少大腦中的突觸連線數量來損害神經元介導神經傳遞的能力。

為了進一步強調小鼠行為的變化是由我們發現的神經元變化引起的，我們將個體表現與同一動物的樹突棘密度作圖。我們的資料顯示，隨著樹突棘密度的降低，認知能力也隨之下降。表現最差的個體動物（即好奇心或對新奇事物的探索減少）也擁有最低的樹突棘密度，這表明認知功能障礙至少部分與樹突棘數量減少有關。這些資料提供了第一個證據，將結構損傷與暴露於宇宙輻射的動物身上觀察到的不良行為結果聯絡起來。

這些結果有助於證實 NASA 多年來懷疑的情況：輻射可能對宇航員的認知能力有害。到目前為止，這些擔憂在很大程度上是基於臨床文獻，這些文獻記錄了接受顱部放射治療以治療腦癌的患者的一系列認知影響。然而，過去，科學家們一直不願將這些結果外推到太空中的宇航員身上，因為這些是不同的人群暴露於不同型別的輻射和不同劑量。在臨床中，典型的每日劑量 (2 Gy) 將超過對往返火星並在火星上長期停留期間所受輻射劑量的最保守估計。在約 360 天的往返運輸過程中，行星際劑量率約為每天 0.48 mGy 或毫戈瑞，而在火星上預期停留一年或更長時間期間，劑量率是該速率的一半（因為行星的體積阻擋了來自下方的輻射）。儘管臨床中使用的總輻射劑量遠高於太空中發現的劑量，但通常用於治療腫瘤的 X 射線和伽馬射線是稀疏電離的（低 LET），而我們在太空中擔心的帶電粒子是密集電離的（高 LET）。因此，我們一直無法在癌症患者的預後與我們對宇航員的預期預後之間進行強有力的比較。

我們的工作為太空輻射對宇航員大腦有害的觀點增加了新的支援，但仍然存在重要的注意事項。儘管我們的實驗使用了與太空旅行者將經歷的輻射劑量相似的輻射劑量，但我們無法以宇航員接收輻射的相同速率傳遞這些劑量。在太空中，宇航員將在數月至數年的時間內接收輻射，這突顯了宇宙輻射暴露的長期性。由於我們在加速器設施的時間有限，我們不得不在幾分鐘內傳遞相同的劑量。劑量率的這種巨大差異可能會引起對我們結果的懷疑，因為人們可能會認為，當劑量緩慢傳遞時，細胞將有時間修復和恢復。事實上，劑量率的差異不太可能產生強烈的影響，因為總劑量很低（換句話說，粒子飛過不頻繁），最令人關注的太空粒子是高 LET 輻射（這會產生嚴重的細胞損傷，無論傳遞速度有多快，都很難恢復），最後，大腦的大多數區域都不能輕易產生新的神經元，這進一步阻礙了恢復。儘管我們的發現與齧齒動物有關，而不是人類，但我們沒有理由認為人類神經元對宇宙輻射的反應會與我們小鼠的神經元有任何顯著差異。

我們的太空未來？

為了將人類送入太陽系，我們面臨著艱鉅的障礙。宇航員將需要比目前可用的火箭更大、更強大的火箭才能到達火星和太陽系中的其他天體，並且他們到達後將需要棲息地，以及利用目的地資源製造水和火箭燃料的能力。我們現在必須將保護太空殖民者免受輻射的需求新增到這一系列挑戰中，這可能被證明是最難克服的障礙。

我們可能解決這個問題的第一個方法是透過遮蔽來阻止輻射在造成任何損害之前——放置在航天器和棲息地上，或放置在宇航服或服裝中。目前，科學家們知道的唯一遮蔽輻射的方法是使用極其重且厚的材料，例如鉛。這些材料確實有效，但它們在太空中完全不切實際，因為它們太重了，需要太多的火箭燃料才能發射。目前正在努力設計先進的遮蔽材料和工程控制，以增強船體在航天器某些區域的防禦能力。宇航員可以在太陽活動增強期間撤退到這些更受保護的區域，並佩戴旨在最大限度地防止輻射暴露的頭盔和宇航服，以便在太空行走甚至睡覺時使用。然而，要取得顯著的改進，需要比目前存在的任何防護材料都要好得多的防護材料。

科學家們還在開發藥物和膳食對策，宇航員可以定期服用或在急性輻射暴露後（例如，在發生重大太陽風暴後）服用，這可以減輕輻射對大腦的最壞影響。例如，抗氧化劑配方已顯示出有望限制太空輻射對小鼠造成的某些損害。研究人員還在設計可以增強大腦回路的化學物質方面取得了進展，以幫助在發生損傷後維持功能。然而，所有這些努力都處於早期階段，沒有一種有可能成為萬能藥。我們能期望的最好結果是減少而不是消除損害。我們還必須繼續研究宇宙輻射對大腦以及整個身體的影響，以更全面地闡明與長期暴露相關的短期和長期健康風險。

我們的發現指出了一個關於深空旅行的擔憂，與其他危險相比，這種擔憂可能被低估了。例如，輻射誘發癌症的風險更為人所知，但實際上可能不太重要，因為大多數放射性癌症都需要很長時間才能發展。然而，我們已經表明，即使是少量的宇宙輻射也會導致小鼠的神經元損傷和認知缺陷，並且很可能也會對人類造成同樣的影響。

這些輻射引起的改變的永續性是另一個令人擔憂的原因。科學家們沒有看到受宇宙輻射暴露後受損的樹突複雜性和樹突棘密度可以自行修復的跡象，雖然現在就將此類變化稱為永久性還為時過早，但我們沒有證據表明神經元可以從這種型別的損傷中恢復過來。因此，在研究人員找到可以促進和加速受輻射大腦組織癒合的特定干預措施之前，我們最好的選擇似乎僅限於保護我們現有的神經迴路。

宇宙輻射暴露很可能代表了火星旅行，甚至更長距離的深空任務（探索更遙遠的世界所必需的）更重要的障礙之一。儘管有些人可能認為這些發現具有爭議性，但仍然難以忽視這些資料及其對太空計劃的潛在影響。這是否意味著我們永遠被束縛在地球上？也許不是。這些結果可能僅僅代表了人類在準備開始可能被證明是人類最艱鉅的挑戰，甚至可能是最偉大的成功時，必須面對和超越的又一個障礙。