星際航行行不通？我們可能在旅途中變傻

最新研究表明，宇宙輻射對大腦造成的傷害可能比我們預想的更加嚴重。科學家將小鼠暴露在帶電粒子輻射環境下，模擬宇航員在太空中受到輻射的情景，結果發現小鼠出現了行為衰退和神經損傷。那麼，人類還有可能繼續太空征程嗎？

撰文?| 查爾斯·利莫利（Charles Limoli）

翻譯?| 朱毅軒?毛利華?

審校?| 毛利華

幾千年來，人類始終仰望星空，夢想著能進行星際旅行。現在人類已經踏上了月球，住進了太空站，而我們也必將航行得更遠，去征服火星和太陽系的其他星球，甚至穿越太陽系進入更遙遠的深空。

然而，太空旅行充滿危險。每一次宇航員離開地球，踏入星際旅程，他們都將面臨極度寒冷、缺氧、失重，以及宇宙輻射的傷害。目前看來，這些危險似乎大部分都是可以克服的，只需要解決一些工程學上的問題，再加上星際旅行者挑戰困難的大無畏勇氣。

然而，我和其他科學家的最新研究結果卻表明，太空中的宇宙輻射對我們的身體——尤其是脆弱卻至關重要的大腦——所產生的傷害，遠比我們預想的更加嚴重。儘管科學家在幾十年前就知道，宇宙中存在輻射，但是直到最近，才有一些證據表明，這些輻射會對大腦產生多麼嚴重和長久的影響。

我和同事通過對小鼠進行輻射照射，測量到了輻射對小鼠認知能力造成的顯著而持久的傷害，這些結果可能同樣也適用於人類，成為影響太空任務能否成功的潛在因素。在低空軌道上運行的國際空間站（International Space Station），仍處於地球大氣層邊緣之內，所以大部分宇宙輻射都被屏蔽了，但即使如此，宇航員依然面臨認知損傷的風險。而在去往火星或者更遙遠星空的旅程中，宇宙輻射對宇航員的傷害肯定會更加嚴重。

目前，在減輕輻射對人體的傷害方面，我們能做的還很少。升級航天器的外殼可以阻擋一些輻射，但在現有材料中卻找不到既能增強屏蔽性又足夠輕的材料。能減少輻射對人體傷害的藥物，也還在初級研發階段。如果我們不能找到有效的解決方案，人類穿越太陽系探索更遙遠星空的夢想，可能將永遠無法實現。

銀河宇宙射線

太空看似空無一物，卻充滿了看不見、摸不著，也感覺不到的宇宙輻射，它們極其危險，會對人體組織造成非常嚴重的傷害。對宇航員最危險的是銀河宇宙射線（Galactic Cosmic Ray，GCR），它們是從死亡恆星產生的超新星遺迹中逸出的帶電原子核，以近光速飛行。除了均勻遍布宇宙的銀河宇宙射線，太陽也會發出能量高低各異的質子（電離的氫離子）。宇宙中的輻射粒子主要都是這種質子，由於質量較小，相比那些更重的粒子，它們對人類大腦造成的傷害相對輕微。但最重要的是，所有這些粒子都擁有足夠的能量，能輕鬆穿透航天器的船體以及航天員的身體。地球的磁場可以改變大部分宇宙粒子的方向，從而保護地球生物免受傷害，而超出磁氣圈的太空旅行，則會讓宇航員無可避免地暴露在這些粒子中，並導致身體組織受到傷害。

宇宙輻射之所以會對人體造成傷害，是因為這些粒子穿透人體時，會留下一些自身的能量，「電離」人體組織中的原子，使原本中性的原子釋放電子，轉變成帶電粒子。這些帶電粒子會沿著一定的軌道移動，撞擊出更多電子，併產生次級的電離軌跡，造成更大的破壞。輻射粒子越重，就擁有更多的能量，並且能夠電離更多的原子。

電子的重新分配會使一些原子間的化學鍵斷裂，從而破壞蛋白質、脂質、核酸，以及人體組織和細胞內的其他重要分子。電子的轉移會形成自由基，這些自由基因為沒有足夠的電子填充原子軌道，因此會更加活躍，它們渴望與臨近的原子或分子的電子進行配對，以填滿原子軌道。因此，這些自由基會和體內其他分子發生反應，將它們轉化成新的化合物，從而無法再執行這些分子原本的生理功能。比如，當自由基接觸到DNA分子，它們就會分解DNA的糖—磷酸骨架或者破壞核酸鹼基。

科學家以「吸收劑量」，也就是每單位人體質量所吸收的由輻射產生的能量，作為測量輻射的指標。吸收劑量的單位是戈瑞（Gray，縮寫Gy），1Gy表示1焦耳/千克。此外輻射還可以有不同「品質」，指的是每單位劑量所產生的電離密度。科學家依據線性能量傳遞（Linear Energy Transfer，LET）對輻射進行分類。線性能量傳遞指的是粒子運動單位距離所損失的能量。舉例來說，每單位劑量的高LET輻射會比同等劑量的低LET輻射更危險，因為它會在人體中留下更多能量，從而可以使更多原子電離，對細胞產生的破壞也更難修復。因為在銀河宇宙射線中存在的多種輻射都有相對較高的LET，所以這個指標對深空旅行有很重要的意義，我們會在下文詳述。

與低質量輻射粒子相比，質量較大的高能輻射粒子穿過人體時，其軌跡內產生的自由基更為密集，造成的電離破壞也更大。在分子水平上，我們發現納米尺度的自由基高密區，能在較小體積內對分子造成大量損傷。因此，相比光子輻射（如X射線和伽馬射線），較重的帶電粒子會導致多得多的「密集」損傷區域。正是因為這種破壞的力度，使得太空輻射比地球上傳統的電離輻射更危險。

地球的磁場可以保護地球生物免受傷害，但超出磁氣圈的太空旅行，則會讓宇航員無可避免地暴露在這些粒子中。

圖片來源：NASA-MSFC

擬太空輻射場

儘管帶電粒子在太空中無處不在，但要在地球上模擬這些輻射場並研究它們的影響卻並不容易。只有有限的幾個實驗室可以模擬太空輻射，美國航空航天局太空輻射實驗室（NASA Space Radiation Laboratory）就是其中之一。這是由美國航空航天局和布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）在2003年部署於長島的實驗設施。那裡的大型粒子加速器可以把不同質量的離子加速到接近太空輻射的速度。包括我在內的實驗者把測試目標（我們的實驗測試的是小鼠）放在輻射傳播路徑上，然後測量輻射對目標的影響。這些測試可以告訴我們，不同劑量、不同類型的宇宙輻射對活體組織有何影響。

最近，我們將6個月大的小鼠暴露於低劑量（0.05至0.30Gy）帶電粒子（例如氧和鈦）的環境下，並測試它們的行為。通過讓小鼠完成新奇物體識別（Novel Object Recognition，NOR）和目標定位（Object in Place，OiP）等任務，來評估輻射對它們的記憶和思維的影響。首先，我們讓小鼠在一個大約3平方英尺（0.28平方米）的空箱子里自由活動。然後，我們在箱子中放進樂高玩具、橡皮鴨和一些其他玩具，讓小鼠在箱子里繼續探索。接下來，間隔幾分鐘、幾小時或一天後，我們會更換一些新的玩具（NOR），或者更改玩具的位置（OiP）。一個健康、聰明的動物會受新奇刺激的吸引，比起舊的玩具或舊的位置，它們會花更多時間去探索新的玩具或者新的位置，而認知受損的小鼠則會花費更少時間探索。這些實驗能幫助我們測試小鼠的海馬區（hippocampus，負責記憶和學習）和皮層（cortex，與思考相關）功能是否完好。我們以「鑒別指數」（discrimination index）作為指標來測量動物的表現。鑒別指數的計算公式是，花費在新玩具或者新位置的探索時間，除以新舊兩種情況探索的總時間。

我們發現，在NOR以及OiP的實驗中，受輻射小鼠的鑒別指數都會大大降低。6周後，吸收劑量分別為5cGy和30cGy（cGy為厘戈瑞，1cGy=0.01Gy）的小鼠的鑒別指數，都降低了近90%。儘管劑量不同，但是小鼠受到的損傷卻幾乎相同。此外，最近的實驗還表明，輻射的影響可以持續12、24甚至52周。我們的實驗結果說明，如果宇航員暴露在類似強度的宇宙輻射環境中，他們的決策能力、解決問題的能力以及其他一些關鍵的認知能力，可能都會受到嚴重的影響。

被「修剪」的神經元樹突

在這些行為測試之後，我和同事還研究了那些受輻射小鼠的腦切片成像結果。那些充滿能量的帶電粒子在穿越大腦時，可能會嚴重地改變腦內的神經迴路，我們希望能觀察到一些與小鼠的行為變化相關的特定物理損傷。為了觀察到這一點，我們使用了轉基因小鼠，它們的大腦中包含一些可以發出熒光的神經元，這些神經元在高解析度顯微鏡中能夠很容易地被辨識出來。針對特定的腦區，我們收集了一系列不同深度的熒光圖像，然後把它們拼接在一起，組成了一個三維的大腦圖像。

成像結果表明，神經元中的樹突（dendrite）部分發生了顯著的變化。樹突是神經元上用於接收來自其他神經元化學信號的像手指一樣的突起（用來傳送信號的另一種突起叫軸突）。我們實驗室先前的研究也表明，經10～30天稀疏電離（即低LET）X射線和伽馬射線輻射後，樹突的長度、面積和分支數量都會明顯降低。我們將這種改變統稱為樹突複雜性的降低，這是一個用於進行樹突分支數量對比的關鍵指標。2015年，我們在《科學進展》（Science Advances）雜誌發表的研究也說明了，即使非常低劑量的帶電粒子也會引起顯著並持久的樹突複雜性降低。

接受輻射前後小鼠樹突棘對比圖。暴露於30cGy劑量的輻射中8周後，小鼠的樹突棘減少了20%到40%（圖中黃色）。

此外，這些變化通常發生在一個特殊的與記憶加工相關的腦區，叫做內側前額葉（medial prefrontal cortex）。而基於我們對於小鼠的行為測試的結果，我們懷疑小鼠的內側前額葉受到了損害，當然這並不是說大腦內其他區域或者其他神經迴路沒有受損，而是我們的發現表明，將行為研究與腦成像結合在一起，有助將觀察到的認知衰退和大腦特定區域的結構變化聯繫起來。

我們還在原始圖像上進行了高解析度的分析，試圖找到大腦內其他結構例如樹突棘（Dendritic Spine）的變化。樹突棘是神經元中從樹突主軸伸出的小突起（直徑小於１微米），它們使我們能夠進行學習和記憶。形象地說，如果樹突是樹上的樹枝，那麼樹突棘就是樹枝上的葉片。樹突棘是突觸形成的地方，而突觸是樹突接收其他神經元信號的關鍵部位。不同形狀的樹突棘分工不同。我們先前使用X射線和質子進行的實驗，以及最近使用帶電粒子進行的實驗都顯示，樹突棘對輻射有非常高的敏感性。我們發現小鼠的樹突棘密度（每單位長度的樹突棘數量）在進行短期（10天）和長期（６周）輻射後都會顯著降低。這些嚴重且持久的影響說明，帶電粒子可以引發大腦結構變化，減少大腦內突觸連接數量，從而降低神經元之間信號傳遞的能力。

為了進一步研究這些神經元的變化對小鼠行為的影響，我們繪製了小鼠個體行為和樹突棘密度的關係圖。我們的數據顯示，當樹突棘密度降低時，小鼠的認知能力也會降低。行為表現最差（也就是探索新奇刺激的行為最少）的小鼠，同時也是樹突棘密度最低的小鼠，表明認知損傷至少與樹突棘密度降低部分相關。這些數據提供了初步的證據，使我們可以將暴露在宇宙輻射後動物大腦結構的損傷與其負面行為變化聯繫在一起。

NASA多年來一直懷疑宇宙輻射可能會損害宇航員的認知功能，我們的實驗結果幫助證實了這個疑慮。早前的證據大都源於顱腦放射治療對腦腫瘤患者認知影響的臨床文獻，但因為宇航員在太空中受到的是不同種類、不同劑量的輻射，科學家認為，用腦腫瘤放射治療的結果來推斷宇航員在太空中受到的影響可能不合適。臨床上，病人的每日輻射劑量一般為2Gy，而在為期360天的星際航程中，宇航員接受到的輻射劑量約為0.48mGy/天（mGy為毫戈瑞，1mGy=0.001Gy），在火星上停留時，宇航員所受的輻射劑量會減半，這是因為行星本身會阻擋來自行星背面的輻射。儘管宇航員往返並在火星上停留一年所受到的輻射劑量遠低於臨床治療使用的輻射劑量，但需要注意的是，用於治療腦腫瘤的X射線和伽馬射線是稀疏電離輻射（低LET），而太空中的帶電粒子卻是緻密電離輻射（高LET），因此，我們不能直接比較接受放療的癌症患者和太空中的宇航員所受到的輻射影響。

我們的研究提供了一些新證據，證明太空輻射會損害宇航員的大腦，不過，我們也受到了一些質疑。比如，儘管我們在實驗中使用的輻射劑量，與宇航員可能受到的宇宙輻射劑量相同，但我們發射輻射的速率和宇航員承受宇宙輻射的速率並不相同。在太空中，宇航員接觸輻射的時間通常會持續數月或數年。但因為設備使用時間有限，我們只能將宇航員數月或數年內接觸到的劑量，在幾分鐘內發射出去。這種速率上的差別可能會讓人懷疑我們的實驗結果，因為質疑者可以假設，當宇航員以更低速率接收相同劑量的輻射時，細胞可能有時間修復並恢復正常。

但實際上，因為輻射的總劑量低（換言之，粒子只是偶爾飛過），輻射速率的差異不太可能造成很大的影響。太空粒子中，最值得我們警惕的是高LET輻射（無論它的輻射速率是快還是慢，它對細胞造成的傷害都很難恢復）。另外，動物大腦中的大部分腦區都不太容易產生新的神經元，因此經歷大腦損傷後，恢復起來就更為困難。此外，儘管我們的研究是在嚙齒動物而非人類身上進行的，但沒有證據表明，用實驗小鼠的結果來推論宇宙輻射對於人類神經元的影響有什麼不妥。

仍然向外太空進發！

想在太陽系遨遊，人類需要克服許多挑戰。宇航員需要乘坐比目前體積更大、動力更強的火箭，才能抵達火星和太陽系的其他星球，然後他們還需要在抵達目的地後建立營地，利用當地資源製造水和火箭燃料。而現在，在挑戰清單中還要再加入一項（也可能是最難克服的），那就是如何保護我們的星際移民免受宇宙輻射的傷害。

解決這個問題的第一個方案是，在航天器、營地或宇航服中設置隔離屏障，在輻射造成傷害前將其屏蔽。科學家目前知道的唯一方法，是使用非常厚重的材料，例如鉛。這些材料雖然可以屏蔽輻射，但卻不適合太空旅行，因為它們太重，發射航天器時需要耗費更多燃料。現在，科學家正在開發更為先進的屏蔽材料和掩體工程，以增強航天器某些特定區域的防護能力。在太陽活動強烈的時候，宇航員可以撤入這些防護性更強的屏蔽區域，在太空行走甚至睡眠時，可以穿戴特製的頭盔和太空服，從而最大限度地避免輻射暴露。當然，我們需要找到超越現有材料的更好的防輻射材料，才能夠做出上述改進。

科學家還希望開發出可以抗輻射的藥物和食物，宇航員可以定期服用或在經歷嚴重輻射暴露後（例如在嚴重的太陽風暴後）服用，以減輕輻射對大腦的損傷。例如，抗氧化劑能減輕類太空輻射對小鼠產生的損傷。同時，研究人員也在研發新的化學藥品，以修復大腦受損迴路，恢復大腦正常功能，並取得了一些進展。但是這些研究都還停留在初級階段，而且沒有哪種方案能夠解決所有問題。可能最終，藥物也只是能減少損傷，不能完全消除損傷。我們還需要繼續探究宇宙輻射對大腦以及整個身體的影響，這樣才能更全面地評估，持續暴露於輻射下，會有怎樣的長期與短期的健康風險。

在深空旅行中，相比其他危險，輻射對大腦的傷害往往更容易被忽略。比如，人們可能會更關注輻射誘發癌症的風險，但實際上，這一點相對來說可能並沒有那麼重要，因為大部分放射性癌症發病周期都很長。而我們的發現卻敲響了一個更值得關注的警鐘，通過實驗，我們已經知道，即使是很少量的宇宙輻射，也可以造成小鼠的神經損傷和認知缺陷，而人類也極有可能會受到相同的影響。

輻射引發的生理變化到底會持續多久，則是另一個值得擔憂的問題。目前，科學家還沒有發現，宇宙輻射對樹突複雜性和樹突棘密度造成的損傷有恢復的跡象。儘管下結論說這種改變是永久的，可能還為時過早，但的確沒有任何證據表明，受到損傷的神經元能夠自行修復。因此，在研究人員找到有助腦組織修復的方法前，我們只能把研究重點放在保護現有的神經迴路上。

宇宙輻射只是我們在前往火星或進行更為遙遠的深空旅行時，面臨的眾多艱難險阻之一。雖然在有些人看來，我們的研究還存在爭議，但我們的實驗結果以及它所揭示的太空旅行的危險性，卻足以說明問題。那麼，這是否意味著我們將永遠被禁錮在地球上？不一定。在人類前進的道路上，我們曾經遇到過無數看似不可逾越、最後卻被征服的挑戰，宇宙輻射也許是阻礙我們實現太空旅行的一道坎，但我們會欣然接受挑戰並攻克它，因為人類的偉大之處正在於此。

本文審校?毛利華是北京大學心理與認知科學學院副教授。

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