Радиация невидима, но смертельно опасна. Раньше последствия облучения можно было узнать только на основе печальной клинической практики или безжалостных опытов с животными. Современные суперкомпьютеры открыли эпоху виртуальных экспериментов in silico.
Ученые Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) опубликовали работу, в которой описывается математическая модель воздействия на нервную систему ускоренных заряженных частиц с большой массой. Полученные результаты позволяют точнее оценить риски длительного нахождения в космосе, в том числе во время межпланетных полетов. Также результаты могут быть использованы для расчета неблагоприятных последствий лучевой терапии, аварий на предприятиях, работающих с источниками ионизирующего излучения, умышленного или случайного распространения радиоактивных материалов.
В ходе симуляционного эксперимента in silico (дословно «в кремнии») было произведено компьютерное моделирование бомбардировки структур ЦНС получившими ускорение тяжелыми элементарными частицами. Компьютер проанализировал вероятности объемного распределения частиц в разных отделах нейронов — клеточных телах, аксонах, отростках-дендритах и их контактах-шипиках. При анализе учтена сложная геометрия нейронов и вариативность заряженных частиц и их энергии (от 10 МэВ до 1000 МэВ на один нуклон). В качестве самой легкой частицы был принят протон (атом водорода без электрона), в качестве самой тяжелой — ион железа).
В ходе моделирования изучены наиболее вероятные прямые и косвенные молекулярные деформации, вызванные физическим воздействием на нервные клетки бомбардирующих частиц и начавшимися из-за этого химическими реакциями. Оценена тяжесть поражения синаптических путей и возможных генетических нарушений в результате радиолиза воды. Также были внесены предложения по уточнению параметров моделирования для получения наиболее достоверных результатов.
В заключении авторы отмечают, что разработка математических моделей радиационно-индуцированных повреждений ЦНС (эксперименты in silico) открывают новую страницу как в фундаментальной биологической науке, так и в прикладной радиобиологии. Безопасные вычислительные методы, не требующие опытов на лабораторных животных, позволяют с высокой достоверностью спрогнозировать процессы поглощения радиационных доз и образования радиоактивных радикалов в нейронах и окружающих тканях. В ходе расчетов была установлена корреляция первичных лучевых повреждений клеток ЦНС и снижения когнитивных функций у виртуальных объектов облучения.
Моделирование проводилось на многоцелевой вычислительной платформе HybriLIT ОИЯИ и локальных мощностях института.
Авторы научной работы — сотрудники Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ Батмунх Мунхбаатар, Баярчимэг Лхагваа и Александр Бугай. Научный руководитель — член-корреспондент РАН Евгений Красавин.
Ранее мы рассказали о том, как ученые вырастили костный мозг в пробирке.
Источник