星际航行行不通?我们可能在旅途中变傻

最新研究表明,宇宙辐射对大脑造成的伤害可能比我们预想的更加严重。科学家将小鼠暴露在带电粒子辐射环境下,模拟宇航员在太空中受到辐射的情景,结果发现小鼠出现了行为衰退和神经损伤。那么,人类还有可能继续太空征程吗?

撰文?| 查尔斯·利莫利(Charles Limoli

翻译?| 朱毅轩?毛利华?

审校?| 毛利华

几千年来,人类始终仰望星空,梦想着能进行星际旅行。现在人类已经踏上了月球,住进了太空站,而我们也必将航行得更远,去征服火星和太阳系的其他星球,甚至穿越太阳系进入更遥远的深空。

 

然而,太空旅行充满危险。每一次宇航员离开地球,踏入星际旅程,他们都将面临极度寒冷、缺氧、失重,以及宇宙辐射的伤害。目前看来,这些危险似乎大部分都是可以克服的,只需要解决一些工程学上的问题,再加上星际旅行者挑战困难的大无畏勇气。

 

然而,我和其他科学家的最新研究结果却表明,太空中的宇宙辐射对我们的身体——尤其是脆弱却至关重要的大脑——所产生的伤害,远比我们预想的更加严重。尽管科学家在几十年前就知道,宇宙中存在辐射,但是直到最近,才有一些证据表明,这些辐射会对大脑产生多么严重和长久的影响。

 

我和同事通过对小鼠进行辐射照射,测量到了辐射对小鼠认知能力造成的显著而持久的伤害,这些结果可能同样也适用于人类,成为影响太空任务能否成功的潜在因素。在低空轨道上运行的国际空间站(International Space Station),仍处于地球大气层边缘之内,所以大部分宇宙辐射都被屏蔽了,但即使如此,宇航员依然面临认知损伤的风险。而在去往火星或者更遥远星空的旅程中,宇宙辐射对宇航员的伤害肯定会更加严重。

 

目前,在减轻辐射对人体的伤害方面,我们能做的还很少。升级航天器的外壳可以阻挡一些辐射,但在现有材料中却找不到既能增强屏蔽性又足够轻的材料。能减少辐射对人体伤害的药物,也还在初级研发阶段。如果我们不能找到有效的解决方案,人类穿越太阳系探索更遥远星空的梦想,可能将永远无法实现。

 

银河宇宙射线

太空看似空无一物,却充满了看不见、摸不着,也感觉不到的宇宙辐射,它们极其危险,会对人体组织造成非常严重的伤害。对宇航员最危险的是银河宇宙射线(Galactic Cosmic Ray,GCR),它们是从死亡恒星产生的超新星遗迹中逸出的带电原子核,以近光速飞行。除了均匀遍布宇宙的银河宇宙射线,太阳也会发出能量高低各异的质子(电离的氢离子)。宇宙中的辐射粒子主要都是这种质子,由于质量较小,相比那些更重的粒子,它们对人类大脑造成的伤害相对轻微。但最重要的是,所有这些粒子都拥有足够的能量,能轻松穿透航天器的船体以及航天员的身体。地球的磁场可以改变大部分宇宙粒子的方向,从而保护地球生物免受伤害,而超出磁气圈的太空旅行,则会让宇航员无可避免地暴露在这些粒子中,并导致身体组织受到伤害。

 

宇宙辐射之所以会对人体造成伤害,是因为这些粒子穿透人体时,会留下一些自身的能量,“电离”人体组织中的原子,使原本中性的原子释放电子,转变成带电粒子。这些带电粒子会沿着一定的轨道移动,撞击出更多电子,并产生次级的电离轨迹,造成更大的破坏。辐射粒子越重,就拥有更多的能量,并且能够电离更多的原子。

 

电子的重新分配会使一些原子间的化学键断裂,从而破坏蛋白质、脂质、核酸,以及人体组织和细胞内的其他重要分子。电子的转移会形成自由基,这些自由基因为没有足够的电子填充原子轨道,因此会更加活跃,它们渴望与临近的原子或分子的电子进行配对,以填满原子轨道。因此,这些自由基会和体内其他分子发生反应,将它们转化成新的化合物,从而无法再执行这些分子原本的生理功能。比如,当自由基接触到DNA分子,它们就会分解DNA的糖—磷酸骨架或者破坏核酸碱基。

 

科学家以“吸收剂量”,也就是每单位人体质量所吸收的由辐射产生的能量,作为测量辐射的指标。吸收剂量的单位是戈瑞(Gray,缩写Gy),1Gy表示1焦耳/千克。此外辐射还可以有不同“品质”,指的是每单位剂量所产生的电离密度。科学家依据线性能量传递(Linear Energy Transfer,LET)对辐射进行分类。线性能量传递指的是粒子运动单位距离所损失的能量。举例来说,每单位剂量的高LET辐射会比同等剂量的低LET辐射更危险,因为它会在人体中留下更多能量,从而可以使更多原子电离,对细胞产生的破坏也更难修复。因为在银河宇宙射线中存在的多种辐射都有相对较高的LET,所以这个指标对深空旅行有很重要的意义,我们会在下文详述。

 

与低质量辐射粒子相比,质量较大的高能辐射粒子穿过人体时,其轨迹内产生的自由基更为密集,造成的电离破坏也更大。在分子水平上,我们发现纳米尺度的自由基高密区,能在较小体积内对分子造成大量损伤。因此,相比光子辐射(如X射线和伽马射线),较重的带电粒子会导致多得多的“密集”损伤区域。正是因为这种破坏的力度,使得太空辐射比地球上传统的电离辐射更危险。

 

地球的磁场可以保护地球生物免受伤害,但超出磁气圈的太空旅行,则会让宇航员无可避免地暴露在这些粒子中。

图片来源:NASA-MSFC

拟太空辐射场

尽管带电粒子在太空中无处不在,但要在地球上模拟这些辐射场并研究它们的影响却并不容易。只有有限的几个实验室可以模拟太空辐射,美国航空航天局太空辐射实验室(NASA Space Radiation Laboratory)就是其中之一。这是由美国航空航天局和布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)在2003年部署于长岛的实验设施。那里的大型粒子加速器可以把不同质量的离子加速到接近太空辐射的速度。包括我在内的实验者把测试目标(我们的实验测试的是小鼠)放在辐射传播路径上,然后测量辐射对目标的影响。这些测试可以告诉我们,不同剂量、不同类型的宇宙辐射对活体组织有何影响。

 

最近,我们将6个月大的小鼠暴露于低剂量(0.05至0.30Gy)带电粒子(例如氧和钛)的环境下,并测试它们的行为。通过让小鼠完成新奇物体识别(Novel Object Recognition,NOR)和目标定位(Object in Place,OiP)等任务,来评估辐射对它们的记忆和思维的影响。首先,我们让小鼠在一个大约3平方英尺(0.28平方米)的空箱子里自由活动。然后,我们在箱子中放进乐高玩具、橡皮鸭和一些其他玩具,让小鼠在箱子里继续探索。接下来,间隔几分钟、几小时或一天后,我们会更换一些新的玩具(NOR),或者更改玩具的位置(OiP)。一个健康、聪明的动物会受新奇刺激的吸引,比起旧的玩具或旧的位置,它们会花更多时间去探索新的玩具或者新的位置,而认知受损的小鼠则会花费更少时间探索。这些实验能帮助我们测试小鼠的海马区(hippocampus,负责记忆和学习)和皮层(cortex,与思考相关)功能是否完好。我们以“鉴别指数”(discrimination index)作为指标来测量动物的表现。鉴别指数的计算公式是,花费在新玩具或者新位置的探索时间,除以新旧两种情况探索的总时间。

 

我们发现,在NOR以及OiP的实验中,受辐射小鼠的鉴别指数都会大大降低。6周后,吸收剂量分别为5cGy和30cGy(cGy为厘戈瑞,1cGy=0.01Gy)的小鼠的鉴别指数,都降低了近90%。尽管剂量不同,但是小鼠受到的损伤却几乎相同。此外,最近的实验还表明,辐射的影响可以持续12、24甚至52周。我们的实验结果说明,如果宇航员暴露在类似强度的宇宙辐射环境中,他们的决策能力、解决问题的能力以及其他一些关键的认知能力,可能都会受到严重的影响。

 

被“修剪”的神经元树突

在这些行为测试之后,我和同事还研究了那些受辐射小鼠的脑切片成像结果。那些充满能量的带电粒子在穿越大脑时,可能会严重地改变脑内的神经回路,我们希望能观察到一些与小鼠的行为变化相关的特定物理损伤。为了观察到这一点,我们使用了转基因小鼠,它们的大脑中包含一些可以发出荧光的神经元,这些神经元在高分辨率显微镜中能够很容易地被辨识出来。针对特定的脑区,我们收集了一系列不同深度的荧光图像,然后把它们拼接在一起,组成了一个三维的大脑图像。

 

成像结果表明,神经元中的树突(dendrite)部分发生了显著的变化。树突是神经元上用于接收来自其他神经元化学信号的像手指一样的突起(用来传送信号的另一种突起叫轴突)。我们实验室先前的研究也表明,经10~30天稀疏电离(即低LET)X射线和伽马射线辐射后,树突的长度、面积和分支数量都会明显降低。我们将这种改变统称为树突复杂性的降低,这是一个用于进行树突分支数量对比的关键指标。2015年,我们在《科学进展》(Science Advances)杂志发表的研究也说明了,即使非常低剂量的带电粒子也会引起显著并持久的树突复杂性降低。

 

接受辐射前后小鼠树突棘对比图。暴露于30cGy剂量的辐射中8周后,小鼠的树突棘减少了20%到40%(图中黄色)。

此外,这些变化通常发生在一个特殊的与记忆加工相关的脑区,叫做内侧前额叶(medial prefrontal cortex)。而基于我们对于小鼠的行为测试的结果,我们怀疑小鼠的内侧前额叶受到了损害,当然这并不是说大脑内其他区域或者其他神经回路没有受损,而是我们的发现表明,将行为研究与脑成像结合在一起,有助将观察到的认知衰退和大脑特定区域的结构变化联系起来。

 

我们还在原始图像上进行了高分辨率的分析,试图找到大脑内其他结构例如树突棘(Dendritic Spine)的变化。树突棘是神经元中从树突主轴伸出的小突起(直径小于1微米),它们使我们能够进行学习和记忆。形象地说,如果树突是树上的树枝,那么树突棘就是树枝上的叶片。树突棘是突触形成的地方,而突触是树突接收其他神经元信号的关键部位。不同形状的树突棘分工不同。我们先前使用X射线和质子进行的实验,以及最近使用带电粒子进行的实验都显示,树突棘对辐射有非常高的敏感性。我们发现小鼠的树突棘密度(每单位长度的树突棘数量)在进行短期(10天)和长期(6周)辐射后都会显著降低。这些严重且持久的影响说明,带电粒子可以引发大脑结构变化,减少大脑内突触连接数量,从而降低神经元之间信号传递的能力。

 

为了进一步研究这些神经元的变化对小鼠行为的影响,我们绘制了小鼠个体行为和树突棘密度的关系图。我们的数据显示,当树突棘密度降低时,小鼠的认知能力也会降低。行为表现最差(也就是探索新奇刺激的行为最少)的小鼠,同时也是树突棘密度最低的小鼠,表明认知损伤至少与树突棘密度降低部分相关。这些数据提供了初步的证据,使我们可以将暴露在宇宙辐射后动物大脑结构的损伤与其负面行为变化联系在一起。

 

NASA多年来一直怀疑宇宙辐射可能会损害宇航员的认知功能,我们的实验结果帮助证实了这个疑虑。早前的证据大都源于颅脑放射治疗对脑肿瘤患者认知影响的临床文献,但因为宇航员在太空中受到的是不同种类、不同剂量的辐射,科学家认为,用脑肿瘤放射治疗的结果来推断宇航员在太空中受到的影响可能不合适。临床上,病人的每日辐射剂量一般为2Gy,而在为期360天的星际航程中,宇航员接受到的辐射剂量约为0.48mGy/天(mGy为毫戈瑞,1mGy=0.001Gy),在火星上停留时,宇航员所受的辐射剂量会减半,这是因为行星本身会阻挡来自行星背面的辐射。尽管宇航员往返并在火星上停留一年所受到的辐射剂量远低于临床治疗使用的辐射剂量,但需要注意的是,用于治疗脑肿瘤的X射线和伽马射线是稀疏电离辐射(低LET),而太空中的带电粒子却是致密电离辐射(高LET),因此,我们不能直接比较接受放疗的癌症患者和太空中的宇航员所受到的辐射影响。

 

我们的研究提供了一些新证据,证明太空辐射会损害宇航员的大脑,不过,我们也受到了一些质疑。比如,尽管我们在实验中使用的辐射剂量,与宇航员可能受到的宇宙辐射剂量相同,但我们发射辐射的速率和宇航员承受宇宙辐射的速率并不相同。在太空中,宇航员接触辐射的时间通常会持续数月或数年。但因为设备使用时间有限,我们只能将宇航员数月或数年内接触到的剂量,在几分钟内发射出去。这种速率上的差别可能会让人怀疑我们的实验结果,因为质疑者可以假设,当宇航员以更低速率接收相同剂量的辐射时,细胞可能有时间修复并恢复正常。

但实际上,因为辐射的总剂量低(换言之,粒子只是偶尔飞过),辐射速率的差异不太可能造成很大的影响。太空粒子中,最值得我们警惕的是高LET辐射(无论它的辐射速率是快还是慢,它对细胞造成的伤害都很难恢复)。另外,动物大脑中的大部分脑区都不太容易产生新的神经元,因此经历大脑损伤后,恢复起来就更为困难。此外,尽管我们的研究是在啮齿动物而非人类身上进行的,但没有证据表明,用实验小鼠的结果来推论宇宙辐射对于人类神经元的影响有什么不妥。

 

仍然向外太空进发!

想在太阳系遨游,人类需要克服许多挑战。宇航员需要乘坐比目前体积更大、动力更强的火箭,才能抵达火星和太阳系的其他星球,然后他们还需要在抵达目的地后建立营地,利用当地资源制造水和火箭燃料。而现在,在挑战清单中还要再加入一项(也可能是最难克服的),那就是如何保护我们的星际移民免受宇宙辐射的伤害。

 

解决这个问题的第一个方案是,在航天器、营地或宇航服中设置隔离屏障,在辐射造成伤害前将其屏蔽。科学家目前知道的唯一方法,是使用非常厚重的材料,例如铅。这些材料虽然可以屏蔽辐射,但却不适合太空旅行,因为它们太重,发射航天器时需要耗费更多燃料。现在,科学家正在开发更为先进的屏蔽材料和掩体工程,以增强航天器某些特定区域的防护能力。在太阳活动强烈的时候,宇航员可以撤入这些防护性更强的屏蔽区域,在太空行走甚至睡眠时,可以穿戴特制的头盔和太空服,从而最大限度地避免辐射暴露。当然,我们需要找到超越现有材料的更好的防辐射材料,才能够做出上述改进。

 

科学家还希望开发出可以抗辐射的药物和食物,宇航员可以定期服用或在经历严重辐射暴露后(例如在严重的太阳风暴后)服用,以减轻辐射对大脑的损伤。例如,抗氧化剂能减轻类太空辐射对小鼠产生的损伤。同时,研究人员也在研发新的化学药品,以修复大脑受损回路,恢复大脑正常功能,并取得了一些进展。但是这些研究都还停留在初级阶段,而且没有哪种方案能够解决所有问题。可能最终,药物也只是能减少损伤,不能完全消除损伤。我们还需要继续探究宇宙辐射对大脑以及整个身体的影响,这样才能更全面地评估,持续暴露于辐射下,会有怎样的长期与短期的健康风险。

 

在深空旅行中,相比其他危险,辐射对大脑的伤害往往更容易被忽略。比如,人们可能会更关注辐射诱发癌症的风险,但实际上,这一点相对来说可能并没有那么重要,因为大部分放射性癌症发病周期都很长。而我们的发现却敲响了一个更值得关注的警钟,通过实验,我们已经知道,即使是很少量的宇宙辐射,也可以造成小鼠的神经损伤和认知缺陷,而人类也极有可能会受到相同的影响。

 

辐射引发的生理变化到底会持续多久,则是另一个值得担忧的问题。目前,科学家还没有发现,宇宙辐射对树突复杂性和树突棘密度造成的损伤有恢复的迹象。尽管下结论说这种改变是永久的,可能还为时过早,但的确没有任何证据表明,受到损伤的神经元能够自行修复。因此,在研究人员找到有助脑组织修复的方法前,我们只能把研究重点放在保护现有的神经回路上。

 

宇宙辐射只是我们在前往火星或进行更为遥远的深空旅行时,面临的众多艰难险阻之一。虽然在有些人看来,我们的研究还存在争议,但我们的实验结果以及它所揭示的太空旅行的危险性,却足以说明问题。那么,这是否意味着我们将永远被禁锢在地球上?不一定。在人类前进的道路上,我们曾经遇到过无数看似不可逾越、最后却被征服的挑战,宇宙辐射也许是阻碍我们实现太空旅行的一道坎,但我们会欣然接受挑战并攻克它,因为人类的伟大之处正在于此。

本文审校?毛利华是北京大学心理与认知科学学院副教授。


    更多精彩 >>> 热点推荐 查看相关信息 更多精彩 精彩图库

    热门推荐
    热门文章