Полет к Марсу: зачем облучать обезьян в ускорителе

Сразу несколько научных групп в России проводят масштабные эксперименты на животных, моделирующие межпланетные полеты. Ученые намерены выяснить, как космическое излучение воздействует на организм, какие функции будут нарушены во время таких полетов. В начале 2018 года биологи из МГУ готовятся облучать макак-резусов в ускорителе, чтобы понять, как это повлияет на их зрение, движения глаз и задействованные в этих процессах психические функции.

Когда мы входим в помещение и окидываем его взглядом, наши глаза буквально сканируют пространство, отмечая, что где находится. За это отвечают саккады — быстрые перемещения глазных яблок в направлении интересующего нас объекта. Между саккадами глаз неподвижен, но мы этого не замечаем, потому что сканирование происходит с большой скоростью. Составив пространственную карту помещения, мы концентрируемся на отдельном объекте, и это требует чуть больше времени. К примеру, на разглядывание мелких деталей уходит минимум 300 миллисекунд. Допустим, мы увидели чашку на столе и решили ее взять. Это простая задача, но она требует большой согласованности нескольких систем. За движениями глаз следует ряд психических актов — восприятие, распознавание, внимание, которые позволяют нам ориентироваться в многообразии окружающего мира и выбрать что-то конкретное для текущей деятельности. Если какие-то из систем или функций разладилась, мы не сможем взять чашку или сделаем это медленнее — менее точно, чем обычно.

"Мы довольно точно можем регистрировать движения глаз по горизонтали и вертикали и видим, как изменяются эти параметры в зависимости от временной и пространственной сложности зрительного окружения. Если глаз рассматривает объект короткое время, он различает один аспект информации, а если длительное — другой", — рассказывает РИА Новости Александр Латанов, доктор биологических наук, заведующий кафедрой высшей нервной деятельности Биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Обезьяны-паркинсоники

На кафедре высшей нервной деятельности около десяти лет исследовали тяжелое заболевание мозга, ведущее к инвалидности, — паркинсонизм. У больных наблюдается тремор рук, головы, нарушается внимание и зрительно-моторная координация. Болезнь возникает из-за гибели нейронов в особой структуре мозга — черной субстанции, а это ведет к нарушению любых целенаправленных движений. Ученые изучали паркинсонизм на макаках-резусах, чьи системы зрения сходны с человеческими.

Во время эксперимента обезьяна решает какую-либо задачу, а экспериментаторы очень точно регистрируют движения ее глаз по амплитуде и времени, сопоставляя с нормой. Если параметры движений меняются в какую-то сторону, значит, животное делает что-то хуже или лучше.

"Здоровая обезьянка совершает движения глаз быстро, как только появился стимул. Больное паркинсонизмом животное начинает их с задержкой раза в полтора, и они становятся менее точными", — поясняет ученый.
 

Опыт с кубом позволяет оценить, насколько успешно обезьяна манипулирует в доступном ей пространстве
 

Наблюдая за движениями глаз макак, биологи выявили ранние признаки болезни Паркинсона, когда внешние двигательные симптомы еще не проявились.

Модель космоса в ускорителе

Во время солнечной вспышки космонавты на МКС прячутся в специальных боксах, чтобы избежать облучения ионизирующими частицами, несущими большой заряд энергии. Протоны и альфа-частицы способны серьезно повредить ДНК в клетках человека. Если повреждений будет слишком много, то система ремонта генов не справится и организм заболеет. Впрочем, вероятность получить большую дозу облучения на орбите невелика, ведь космонавтов защищает магнитное поле Земли, отклоняющее потоки частиц. Совсем иные условия ожидают людей в дальнем космосе, за пределами геомагнитного поля. Обшивка корабля, скафандры не спасут от космических лучей, содержащих, кроме вышеперечисленных частиц, ядра тяжелых элементов — углерода, железа. Они буквально перерезают спираль ДНК. С множественными двухнитевыми разрывами ДНК, возникающими на протяжении длительного времени, наш организм не справится точно. Однако эффект от воздействия космических лучей проявится не сразу, а по мере накопления повреждений в клетках, в том числе и нервных. Следовательно, нужно уметь определять заранее, какие части мозга человека и обеспечиваемые ими функции пострадали, и опыты с движениями глаз подходят для этого как нельзя лучше.

Изохронный циклотрон У-400М в Дубне для ускорения протонов и тяжелых ионов

"В условиях невесомости у нас меняется распределение жидкостей — крови, лимфы. Мозг тоже перестраивается в отсутствие вектора силы тяжести. Длительное пребывание в этом состоянии приводит к некоторым нарушениям, и к этому еще добавляется радиационное воздействие. Мы можем частично имитировать его на ускорителях элементарных частиц, давая дозы, примерно соответствующие тем, что космонавт получил бы в дальнем космосе", — говорит Александр Латанов.

Биологов интересует, как повлияет излучение на операторскую деятельность, способность выполнять различные манипуляции, в том числе пилотирование кораблем, нарушается ли согласованность движений и зрения. В этом году они провели первые тесты на ускорителе в ОИЯИ в Дубне, однократно облучив возрастную обезьяну пучком протонов с энергией 170 мегаэлектронвольт. Это позволило отработать все аспекты методики, и в ближайшее время ученые снова отправятся в Дубну, теперь уже с двумя молодыми макаками-резусами, чтобы облучить их пучками ядер углерода.

Голову макаки-резуса в течение пяти минут облучают пучком протонов

Подопытных предварительно обучили двум задачам: тянуть рычаг при появлении определенного стимула и доставать пищу из прозрачного куба, в котором проделано отверстие. Эти задачи позволяют оценить координацию зрения и движений лап, а также успешность выполнения необходимых для этого некоторых ментальных действий. Далее ученые сделают томограмму мозга животных, чтобы точно определить расположение областей префронтальной коры, где происходит интеграция зрительно-моторных действий с текущими поведенческими задачами. А физики настроят пучок ядер углерода так, чтобы пик Брэгга — максимальная энергия частицы, производящая наибольшие повреждения в ткани, — пришелся на нужное место в мозге. Речь идет о небольших дозах облучения, ведь ученые хотят нащупать самые минимальные значения, при которых можно уловить нарушения движений глаз и обеспечивающих их психических процессов. Эти эксперименты, разумеется, одобрены этической комиссией МГУ.