Der Weltraum kann für fragile Menschen ein gefährlicher Ort sein. Diejenigen, die bereit sind, sich in die Erdumlaufbahn zu wagen, müssen mit Gesundheitsrisiken wie extremen Temperaturen, beengten Verhältnissen, langen Isolationsperioden und den schwächenden physiologischen Auswirkungen des Lebens ohne Schwerkraft fertig werden. Für Astronauten wird es noch schwieriger, zu einem Asteroiden oder Mars zu reisen.
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Eine der größten Bedrohungen für die Raumfahrt ist die anhaltende Exposition gegenüber unerbittlicher kosmischer Strahlung, die die DNA schädigen und die Wahrscheinlichkeit erhöhen kann, dass ein Raumfahrer im Laufe seines Lebens Krankheiten wie Krebs entwickelt. Untersuchungen an Mäusen deuten darauf hin, dass die ersten Menschen, die eine Marsmission versuchen, ein unmittelbares Problem haben: Hirnschäden. Kosmische Strahlen, die das Gehirn bombardieren, können zu kognitiven und Gedächtnisstörungen führen, die sich in wenigen Monaten manifestieren.
Galaktische kosmische Strahlung besteht aus hochenergetischen Partikeln, die von früheren Supernova-Explosionen stammen, die durch unser Sonnensystem fließen. Die NASA hat zahlreiche Studien gefördert, die die kurz- und langfristigen Auswirkungen der Weltraumstrahlung auf jedes System im Körper untersuchen und aufzeigen, dass diese Strahlen im Laufe ihres Lebens verheerende Auswirkungen auf das biologische Gewebe haben können.
Frühere Studien deuteten darauf hin, dass die Strahlenexposition auch zu einer kognitiven Beeinträchtigung führen könnte, einschließlich eines früheren Auftretens einer Alzheimer-ähnlichen Demenz. Nun haben Charles Limoli, Professor für Radioonkologie an der Irvine School of Medicine der Universität von Kalifornien, und sein Team gezeigt, dass selbst relativ geringe Dosen kosmischer Strahlung eine bestimmte Reihe neuronaler Anomalien hervorrufen, die sich während einer Rundreise-Mission manifestieren können zum Mars, der voraussichtlich zwei bis drei Jahre dauern wird.
"Dies ist meiner Meinung nach die erste Studie, die wirklich viele offene Fragen miteinander verknüpft und einen Mechanismus für die Ursachen kognitiver Dysfunktion bietet", sagt Limoli, dessen Team die Ergebnisse heute in Science Advances berichtet .
Um die Auswirkungen der Bestrahlung auf den Geist zu untersuchen, untersuchten die Forscher mehrere Gruppen von sechs Monate alten Mäusen - das ungefähre Durchschnittsalter der Astronauten in Mausjahren. Das Team bestrahlte die Mäuse mit niedrigen oder hohen Dosen von energetisch geladenen Partikeln, ähnlich denen, die in der galaktischen kosmischen Strahlung gefunden wurden. Diese Partikel verdrängen Elektronen in lebendem Gewebe, die dann Reaktionen der freien Radikale auslösen, die Veränderungen in den Zellen und Geweben des Körpers verursachen. Obwohl Reaktionen durch freie Radikale innerhalb von Millisekunden auftreten, treten die von ihnen verursachten zellulären Anomalien über Monate oder sogar Jahre auf. Die Forscher warteten sechs Wochen, bevor sie die bestrahlten Mäuse testeten, um die Entfaltung des zellulären Unheils zu ermöglichen.
Die Ergebnisse zeigten, dass bestrahlte Mäuse in ihrer Fähigkeit, neue Objekte in ihrer Umgebung zu erforschen, erheblich beeinträchtigt waren. Diese Aufgabe basiert auf einem gesunden Lern- und Gedächtnissystem. „Die Tiere, die ausgesetzt waren, verloren die Neugier. Sie haben ihre Neigung verloren, Neues zu entdecken “, sagt Limoli.
Insbesondere entdeckte das Team strahleninduzierte strukturelle Veränderungen im medialen präfrontalen Kortex, einer Gehirnregion, die für Prozesse höherer Ordnung verantwortlich ist, von denen bekannt ist, dass sie während Gedächtnisaufgaben ablaufen. Neuronen in diesen beeinträchtigten Bereichen zeigten eine Verringerung der Komplexität und Dichte der als Dendriten bezeichneten Strukturen, die als Antennen für eingehende zelluläre Nachrichten fungieren und für den effizienten Informationsaustausch im gesamten Gehirn unerlässlich sind. Das Forscherteam entdeckte auch Veränderungen bei PSD-95, einem Protein, das für die Neurotransmission wichtig ist und auch mit Lernen und Gedächtnis in Verbindung gebracht wird.
Die zellulären Veränderungen in den Dendriten standen in direktem Zusammenhang mit der kognitiven Leistung - die Mäuse mit den größten strukturellen Veränderungen hatten die schlechtesten Leistungsergebnisse. Und obwohl es einige Zeit dauerte, bis sich diese Mängel manifestierten, scheinen sie dauerhaft zu sein.
Limoli merkt an, dass die in ihrer Studie beobachteten Schäden, während die Arbeit an Mäusen durchgeführt wurde, in hohem Maße den Defekten im menschlichen Gehirn ähneln, die an neurodegenerativen Erkrankungen wie Demenz leiden. „Da diese Art von Veränderungen auch bei einer Reihe von neurodegenerativen Erkrankungen festgestellt wurden und im Laufe des Alterns auftreten, bietet sie einen logischen Hintergrund für die Auswirkungen der Strahlung auf das Gehirn von Nagetieren und Menschen“, sagt Limoli.
Es ist wahrscheinlich, dass niemand diese Art von Defekten bei heutigen Astronauten gesehen hat, weil Menschen, die an der Internationalen Raumstation arbeiten, "durch die Erdmagnetosphäre geschützt sind, die alles ablenkt, was eine Ladung hat", sagt Limoli. Und während die Astronauten, die zum Mond reisten, nicht durch die magnetische Umarmung der Erde geschützt waren, waren ihre relativ kurzen Reisen nur einem Bruchteil der Exposition ausgesetzt, die bei einer Mission zum Mars auftreten würden.
Während die Ergebnisse dieses Experiments auffällig waren, betonen andere Experten, dass es immer noch nicht genügend Daten gibt, um endgültige Schlussfolgerungen über die Auswirkungen der Strahlung von Menschen zu ziehen. "Viele der Informationen, die wir erhalten haben, wurden aus Studien über katastrophale Ereignisse im Zweiten Weltkrieg hochgerechnet", sagt Nathan Schwadron, Associate Professor für Weltraumplasmaphysik an der Universität von New Hampshire darüber, was mit biologischen Systemen passiert, wenn sie für längere Zeit starker Strahlung ausgesetzt sind. Ich denke, dass hier ein potenzielles Risiko besteht, aber wir verstehen es einfach noch nicht. “
Was ist also zu tun? Die NASA untersucht derzeit fortgeschrittenere Abschirmtechnologien, die Astronauten auf Langzeitmissionen in den Weltraum besser schützen könnten. Ingenieure könnten auch die Abschirmungsfähigkeiten in bestimmten Regionen des Schiffes ändern, z. B. wo Astronauten schlafen, oder Menschen mit Spezialhelmen für Weltraumspaziergänge ausrüsten, sagt Limoli.
Schwadron, dessen Forschung sich in erster Linie auf die Entwicklung fortgeschrittener Abschirmung konzentriert, sagt, dass die Energie der galaktischen kosmischen Strahlung so hoch ist, dass sie auf potenziell problematische Weise mit den Abschirmmaterialien interagiert. „Was passiert, ist, dass energiereiche Strahlung auf den Schild trifft und dann ein Bad aus Sekundärpartikeln erzeugt. Neutronen sind wahrscheinlich das beste Beispiel dafür. “Diese energiereichen Partikel können dann mit dem Körper interagieren und Reaktionen durch freie Radikale und nachfolgende Gewebeschäden auslösen.
In Zukunft planen Limoli und sein Team, Experimente zu entwerfen, die die Exposition des Menschen gegenüber galaktischer kosmischer Strahlung genauer simulieren und alternative zugrunde liegende Mechanismen und Zelltypen untersuchen, die zur Ausbreitung kognitiver Defizite beitragen könnten. Er untersucht auch pharmakologische Interventionen, die das Gehirngewebe vor dieser Strahlung schützen könnten.
„Wir haben einige vielversprechende Wirkstoffe, die wahrscheinlich viel helfen werden“, sagt Limoli. "Dies ist kein Deal Breaker - es ist etwas, das wir verstehen und beachten müssen, damit wir nicht überrascht werden."
