人類登陸月球之後，下一個目標就是火星。美國太空總署 NASA 曾表示，目標 2030 年以前把人類送上火星， SpaceX 創辦人馬斯克（Elon Musk）甚至認為火星旅行最快 2024 年就能啟航。然而，長時間的太空旅行對人體其實是很大的挑戰：外太空的無重力狀態可能對骨骼、腦血管產生影響，太空輻射也是一大威脅。
太空旅行示意圖（圖片來源：https://reurl.cc/n0xgbe, author: Comfreak）
太空輻射包括宇宙中的高能帶電粒子（如 α 射線）以及短波長的電磁輻射（如紫外線、γ 射線）。這些輻射平時受到地球磁層的阻擋，不會對在地球上的我們構成威脅，但太空旅行時便會暴露其中。研究估計，來回火星一趟接受到的輻射量相當於照了二十四次電腦斷層，遠遠超過核電廠工作人員的安全劑量[1, 2]。如此高劑量的輻射，不僅可能傷害 DNA ，更可能直接損害細胞。來自加州大學爾灣分校以及史丹佛大學的研究團隊探討太空輻射如何影響中樞神經系統，以小鼠作為實驗模型，在照射 α 射線之後進行一年的追蹤，發現受到輻射照射過的實驗鼠認知功能退化，記憶相關的大腦神經迴路也長期發炎及興奮性降低[3]。
研究團隊利用不同小鼠行為實驗來評估學習及記憶等認知功能變化。舉例來說，莫氏水迷津（Morris water maze）實驗中，小鼠必須在水缸中找到隱藏的平台，經過幾天的學習後，控制組可以很快地找到平台，照射過輻射的實驗組則比較慢。接著研究團隊改變平台的位置，小鼠必須重新找到並記住新的平台位置，實驗組再一次地比控制組慢，這項結果顯示實驗組的認知彈性（cognitive flexibility）比控制組差。研究團隊分別在小鼠照射輻射的六週、十五週和一年後做了一樣的實驗，發現實驗組的認知能力在六週時就已經退化，一年後也不見改善。
圖一、莫氏水迷津實驗。（A）莫氏水迷津實驗示意圖，小鼠在水池中必須找到隱藏的平台並記住平台位置。（B）實驗團隊讓小鼠連續四天（S1 – S4）找尋同一個平台，發現實驗組（紅色及綠色曲線，分別代表不同輻射劑量）花的時間比控制組（藍色曲線）長。實驗團隊分別在第五天（S5）及第七天（S7）改變平台位置，實驗組花較久的時間重新學習平台位置。 （圖片來源：圖 A：https://reurl.cc/WLz9y5, author: Samueljohn.de/ CC 3.0；圖 B： doi: 10.1016/j.expneurol.2018.03.009；圖片重製：周文鴻）
研究團隊認為，認知功能退化是因為大腦的神經迴路受到輻射影響，因此他們想要釐清神經細胞在輻射照射後如何產生改變。嗅緣皮質（perirhinal cortex）是掌管記憶和學習等功能的腦區，與海馬迴（hippocampus）連結，因此他們針對嗅緣皮質的神經細胞進行電生理學研究，發現實驗組的內在興奮性——靜止膜電位（resting membrane potential）和輸入電阻（input resistance）受到改變，興奮性突觸後電流（excitatory post-synaptic current）也變小，代表突觸傳導神經衝動的效率變差。最後，他們發現實驗組的大腦裡有過多的 CCL3 等促炎性細胞激素（cytokines），也有較多活化的微膠細胞（microglia），推論輻射導致神經細胞產生慢性發炎反應，進而影響神經迴路、使認知功能退化。
圖二、神經細胞的電生理學實驗。（A）箝膜記錄術（patch-clamp）顯示嗅緣皮質神經細胞的全細胞電流階反應受到輻射改變。（B）實驗組與控制組的靜止膜電位不同。（C）實驗組較控制組有更高的輸入電阻。 （圖片來源：doi: 10.1016/j.expneurol.2018.03.009）
圖三、神經細胞在照射輻射一年後的持續發炎反應。（A）輻射照射過的小鼠腦中分泌較多細胞激素，（B）也有較多活化的微膠細胞。 （圖片來源：doi: 10.1016/j.expneurol.2018.03.009）
儘管這篇研究以小鼠作為研究對象，也只照射一次高劑量的輻射，與太空旅行中慢慢累積的劑量有所差別，研究結果仍顯示輻射對太空旅行是一大威脅。因此，如何保護太空人免於輻射危害將是非常重要的課題。
參考文獻：
[1] Hassler, D. M., Zeitlin, C., Wimmer-Schweingruber, R. F., Ehresmann, B., Rafkin, S., Eigenbrode, J. L., … MSL Science Team. (2014). Mars’ Surface Radiation Environment Measured with the Mars Science Laboratory’s Curiosity Rover. Science, 343(6169), 1244797. https://doi.org/10.1126/science.1244797
[2] Gifford, S. E. (2014, Feb. 13) Calculated Risks: How Radiation Rules Mars Exploration. Retrieved from: https://reurl.cc/Q3NQeM
[3] Parihar, V. K., Maroso, M., Syage, A., Allen, B. D., Angulo, M. C., Soltesz, I., & Limoli, C. L. (2018). Persistent nature of alterations in cognition and neuronal circuit excitability after exposure to simulated cosmic radiation in mice. Experimental Neurology, 305, 44–55. https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2018.03.009
撰文｜周文鴻
審稿｜陳昱慈
