辐射会成为火星任务的绊脚石吗？

千百年来，人类一直仰望夜空，梦想着前往星辰大海。现在人类已经登上月球，并在空间站中生活，我们似乎不可避免地会走得更远，前往火星、太阳系的其他地方以及更远的宇宙。这个梦想是许多文化共通的，并为世界各国航天机构所追求。

然而，我们知道太空是危险的。每次宇航员离开地球，他们都面临着极度寒冷、缺乏大气层、微重力和辐射暴露。到目前为止，这些危险似乎大多是可以克服的——仅仅是需要解决的工程问题，以及勇敢的太空旅行者愿意承担的风险。然而，我和其他人的新研究表明，太空中的辐射可能比我们想象的更具破坏性，尤其是对脆弱而至关重要的人类大脑。尽管科学家们几十年来一直知道太空的放射性，但直到最近才有证据表明辐射对大脑的影响有多么严重以及持续多久。

通过照射小鼠，我的同事和我测量到了显著且持久的认知障碍，这可能也会转化为人类，潜在地危及太空任务的成功。尽管在相对低空飞行的国际空间站上的宇航员在很大程度上受到地球大气层边缘的保护，免受最糟糕的影响，但他们仍然面临着一些认知损伤的风险。然而，对于前往火星及更远地方的航行者来说，危险可能是严重的。

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我们目前在减轻这些危险方面的能力有限。改进航天器的屏蔽可以阻挡一些辐射，但没有已知材料足够轻便以至实用。可以对抗体内辐射影响的药物尚处于早期阶段。除非我们找到成功的解决方案，否则人类在整个太阳系及更远地方旅行的梦想可能永远遥不可及。

强大的粒子

宇宙辐射是隐匿的——我们看不到也感觉不到它，但它充满了看起来空无一物的空间，并且会对人体组织造成重大损害。对宇航员最危险的是银河宇宙射线 (GCR)，即以接近光速飞行的带电原子核，天文学家认为它起源于已死亡恒星的超新星遗迹。除了普遍存在于宇宙中的 GCR 之外，我们的太阳还会喷射出多种能量的质子（电离氢）。尽管质子构成了太空中的大部分辐射，但由于其质量较轻，与较重的粒子相比，它们对我们身体造成的损害要小得多。最重要的是，所有这些粒子都具有足够的能量穿透航天器的船体和宇航员的身体。地球周围的磁场通过将大部分宇宙粒子偏离地表来保护地球居民，而超越磁层旅行会导致不可避免的暴露以及这些粒子与人体组织相互作用的不幸后果。

宇宙辐射的问题在于，当这些粒子穿过人体时，它们会留下自身的一些能量，这些能量会“电离”组织中的原子——也就是说，将电子从原子上击落，导致它们从不带电的原子变成带电离子。然后，带电粒子沿着自己的轨迹移动，击落更多的电子并产生次级径迹，从而造成不断扩大的损害轨迹。辐射粒子越重，它拥有的能量就越多，它电离的原子也就越多。

这些电子的重新分布导致一些原子断裂其分子键，从而损害蛋白质、脂质、核酸以及身体细胞和组织中的其他重要分子。电子的移除形成自由基——原子或分子，它们缺乏填满其原子轨道的全部电子，这使得它们具有高度的反应性，并且渴望与其他原子或分子中的电子配对，以填满它们的轨道。然后，自由基可以与体内的其他分子反应，将它们变成新的化学物质，而这些化学物质不再具有其原始用途。例如，当自由基遇到 DNA 时，它们可以破坏其糖磷酸骨架或损害核酸碱基。

科学家以“吸收剂量”来测量辐射暴露——辐射损失并在体内沉积的能量（单位质量）。吸收剂量的 SI 单位是戈瑞 (Gy)，其中 1 Gy 为每千克一焦耳。辐射也具有不同的“质量”，指的是它单位剂量产生的电离密度。科学家通过其线性能量传递 (LET) 或每单位距离损失的能量来表征辐射类型。例如，高 LET 辐射剂量比相同剂量的低 LET 辐射更危险，因为它留下更多的能量，因此导致更多的原子电离。因此，由此造成的损害更难让细胞修复和恢复。由于 GCR 中遇到的许多辐射类型都具有相对较高的 LET，因此这一特性对深空旅行具有重要的意义，我们将在稍后讨论。

与质量较低的粒子相比，高能重的辐射粒子可以留下更高自由基密度的径迹，并增加电离造成的破坏。在分子水平上，我们发现纳米级宽度的区域具有高自由基密度，这可能导致相对较小的体积包含大量关键分子上的受损部位。因此，与光子辐射（如 X 射线和伽马射线）相比，较重的带电粒子会产生更高产量的这些“簇状”损伤区域。正是这种损伤密度使得太空辐射比地球上发现的传统类型的电离辐射更危险。

在地球上重现太空

尽管带电粒子在太空中无处不在，但在地球上重现这些类型的辐射场以研究其影响提出了相当大的挑战。我们可以在地球上进行模拟太空辐射实验的唯一场所之一是 NASA 太空辐射实验室，该设施是 NASA 和布鲁克海文国家实验室于 2003 年在长岛委托建立的。在那里，大型粒子加速器将各种质量的离子加速到接近太空辐射的速度。实验人员，包括我自己，将目标——在我们的例子中是小鼠——放置在这种辐射的路径中，并测量其影响。这些测试可以向我们展示特定类型的宇宙辐射在不同剂量下如何影响活体组织。

最近，我们将六个月大的小鼠暴露于低剂量（0.05 至 0.30 Gy）的带电粒子（例如氧和钛），并测试了它们的行为。小鼠完成了称为新物体识别 (NOR) 和物体位置 (OiP) 的任务，以评估辐射如何影响它们的记忆和思维。首先，啮齿动物探索了一个大约三平方英尺的空盒子。然后，我们在盒子中引入了乐高积木、橡皮鸭和其他玩具，让小鼠四处游荡了一会儿。稍后——在一些试验中仅几分钟后，而在另一些试验中几小时或一天后——我们用新玩具替换了物体 (NOR) 或更改了玩具的位置 (OiP)。聪明、健康的动物会寻找新奇事物，并花费更多时间探索新玩具或位置，而不是保持不变的物体，而受损的小鼠会花费更少的时间四处探索。此类测试已被证明是各种类型的海马体（记忆和学习）和皮质（思维）功能的可靠指标。我们通过所谓的辨别指数来衡量动物的表现，该指数计算为在新物体或位置花费的时间除以在探索新旧情况的总时间。

我们使用 NOR 和 OiP 任务进行的实验表明，辐射显著降低了小鼠的辨别指数。六周后，暴露于这些剂量（5 和 30 cGy 或厘戈瑞）的小鼠的表现下降了约 90%，无论剂量如何，这种变化都出奇地一致。此外，最新的测试表明，这些影响在暴露后持续 12 周、24 周甚至 52 周。结果表明，暴露于类似水平的宇宙辐射可能会对从事关键决策、解决问题和其他重要任务活动的宇航员造成问题。

修剪神经树

我的同事和我还通过对受辐射小鼠的大脑切片进行成像来跟进这些行为测试。穿过大脑的高能带电粒子有可能深刻地改变神经元回路。我们想观察任何可能与我们发现的行为变化相关的特定物理损伤。为此，我们使用了基因改造的小鼠，使其大脑包含明亮的荧光神经元，这些神经元在高分辨率显微镜下显示出来。我们收集了特定大脑区域中不同深度的一系列荧光图像，然后将这些图像合并和拼接在一起，以创建大脑的三维表示。

我们的成像显示神经元部分（称为树突）发生了显著变化。这些是从主细胞体伸出的手指状突起，接收来自其他神经元的化学信号（类似的突起称为轴突，用于传输信号）。我们实验室过去的研究发现，稀疏电离（低 LET）X 射线和伽马射线辐射导致树突的长度、面积和分支在 10 天和 30 天内显著减少。我们将这些变化统称为树突复杂性降低，这是一个可以与树枝进行比较的关键参数。我们最近发表在 2015 年《科学进展》杂志上的研究也发现，极低剂量的带电粒子可以引起树突复杂性的显著和持久的丧失。

此外，这些变化发生在被称为内侧前额叶皮层的大脑特定区域，已知该区域与记忆有关，我们怀疑根据我们的行为测试，该区域可能受到损害。这并不是说大脑的其他区域没有受到损害，或者其他神经回路没有受到损害，但我们的发现证明了将行为研究与大脑成像相结合以将我们看到的认知能力下降与大脑特定区域的结构变化联系起来的好处。

我们在最初的成像基础上进行了进一步的高分辨率分析，以寻找其他结构改变的证据，例如树突棘——微小的（小于一微米，或人头发宽度的一小部分）——从树突主干伸出的突起，使学习和记忆成为可能。如果树突是树上的树枝，那么树突棘就像树枝上的叶子。树突棘包含允许树突接收神经元信号的突触机制，并且它们具有不同的形状，有助于完成各种工作。我们过去对 X 射线和质子的研究以及最近对带电粒子的研究表明，树突棘对辐射非常敏感。我们发现，在小鼠暴露后的短时间（10 天）和更长时间（六周）后，树突棘密度或每单位长度的棘突数量显著降低。这些严重且持久的影响证明了带电粒子引起重要结构变化的能力——这些变化通过减少大脑中的突触连接数量来损害神经元介导神经传递的能力。

为了进一步强调小鼠行为的变化是由我们发现的神经元变化引起的，我们将个体表现与同一动物的树突棘密度作图。我们的数据显示，随着树突棘密度的降低，认知能力也随之下降。表现最差的个体动物（即好奇心或对新奇事物的探索减少）也拥有最低的树突棘密度，这表明认知功能障碍至少部分与树突棘数量减少有关。这些数据提供了第一个证据，将结构损伤与暴露于宇宙辐射的动物身上观察到的不良行为结果联系起来。

这些结果有助于证实 NASA 多年来怀疑的情况：辐射可能对宇航员的认知能力有害。到目前为止，这些担忧在很大程度上是基于临床文献，这些文献记录了接受颅部放射治疗以治疗脑癌的患者的一系列认知影响。然而，过去，科学家们一直不愿将这些结果外推到太空中的宇航员身上，因为这些是不同的人群暴露于不同类型的辐射和不同剂量。在临床中，典型的每日剂量 (2 Gy) 将超过对往返火星并在火星上长期停留期间所受辐射剂量的最保守估计。在约 360 天的往返运输过程中，行星际剂量率约为每天 0.48 mGy 或毫戈瑞，而在火星上预期停留一年或更长时间期间，剂量率是该速率的一半（因为行星的体积阻挡了来自下方的辐射）。尽管临床中使用的总辐射剂量远高于太空中发现的剂量，但通常用于治疗肿瘤的 X 射线和伽马射线是稀疏电离的（低 LET），而我们在太空中担心的带电粒子是密集电离的（高 LET）。因此，我们一直无法在癌症患者的预后与我们对宇航员的预期预后之间进行强有力的比较。

我们的工作为太空辐射对宇航员大脑有害的观点增加了新的支持，但仍然存在重要的注意事项。尽管我们的实验使用了与太空旅行者将经历的辐射剂量相似的辐射剂量，但我们无法以宇航员接收辐射的相同速率传递这些剂量。在太空中，宇航员将在数月至数年的时间内接收辐射，这突显了宇宙辐射暴露的长期性。由于我们在加速器设施的时间有限，我们不得不在几分钟内传递相同的剂量。剂量率的这种巨大差异可能会引起对我们结果的怀疑，因为人们可能会认为，当剂量缓慢传递时，细胞将有时间修复和恢复。事实上，剂量率的差异不太可能产生强烈的影响，因为总剂量很低（换句话说，粒子飞过不频繁），最令人关注的太空粒子是高 LET 辐射（这会产生严重的细胞损伤，无论传递速度有多快，都很难恢复），最后，大脑的大多数区域都不能轻易产生新的神经元，这进一步阻碍了恢复。尽管我们的发现与啮齿动物有关，而不是人类，但我们没有理由认为人类神经元对宇宙辐射的反应会与我们小鼠的神经元有任何显著差异。

我们的太空未来？

为了将人类送入太阳系，我们面临着艰巨的障碍。宇航员将需要比目前可用的火箭更大、更强大的火箭才能到达火星和太阳系中的其他天体，并且他们到达后将需要栖息地，以及利用目的地资源制造水和火箭燃料的能力。我们现在必须将保护太空殖民者免受辐射的需求添加到这一系列挑战中，这可能被证明是最难克服的障碍。

我们可能解决这个问题的第一个方法是通过屏蔽来阻止辐射在造成任何损害之前——放置在航天器和栖息地上，或放置在宇航服或服装中。目前，科学家们知道的唯一屏蔽辐射的方法是使用极其重且厚的材料，例如铅。这些材料确实有效，但它们在太空中完全不切实际，因为它们太重了，需要太多的火箭燃料才能发射。目前正在努力设计先进的屏蔽材料和工程控制，以增强船体在航天器某些区域的防御能力。宇航员可以在太阳活动增强期间撤退到这些更受保护的区域，并佩戴旨在最大限度地防止辐射暴露的头盔和宇航服，以便在太空行走甚至睡觉时使用。然而，要取得显著的改进，需要比目前存在的任何防护材料都要好得多的防护材料。

科学家们还在开发药物和膳食对策，宇航员可以定期服用或在急性辐射暴露后（例如，在发生重大太阳风暴后）服用，这可以减轻辐射对大脑的最坏影响。例如，抗氧化剂配方已显示出有望限制太空辐射对小鼠造成的某些损害。研究人员还在设计可以增强大脑回路的化学物质方面取得了进展，以帮助在发生损伤后维持功能。然而，所有这些努力都处于早期阶段，没有一种有可能成为万能药。我们能期望的最好结果是减少而不是消除损害。我们还必须继续研究宇宙辐射对大脑以及整个身体的影响，以更全面地阐明与长期暴露相关的短期和长期健康风险。

我们的发现指出了一个关于深空旅行的担忧，与其他危险相比，这种担忧可能被低估了。例如，辐射诱发癌症的风险更为人所知，但实际上可能不太重要，因为大多数放射性癌症都需要很长时间才能发展。然而，我们已经表明，即使是少量的宇宙辐射也会导致小鼠的神经元损伤和认知缺陷，并且很可能也会对人类造成同样的影响。

这些辐射引起的改变的持久性是另一个令人担忧的原因。科学家们没有看到受宇宙辐射暴露后受损的树突复杂性和树突棘密度可以自行修复的迹象，虽然现在就将此类变化称为永久性还为时过早，但我们没有证据表明神经元可以从这种类型的损伤中恢复过来。因此，在研究人员找到可以促进和加速受辐射大脑组织愈合的特定干预措施之前，我们最好的选择似乎仅限于保护我们现有的神经回路。

宇宙辐射暴露很可能代表了火星旅行，甚至更长距离的深空任务（探索更遥远的世界所必需的）更重要的障碍之一。尽管有些人可能认为这些发现具有争议性，但仍然难以忽视这些数据及其对太空计划的潜在影响。这是否意味着我们永远被束缚在地球上？也许不是。这些结果可能仅仅代表了人类在准备开始可能被证明是人类最艰巨的挑战，甚至可能是最伟大的成功时，必须面对和超越的又一个障碍。