Abstract The Mars mission will result in an inevitable exposure to cosmic radiation that has been shown to cause cognitive impairments in rodent models, and possibly in astronauts engaged in deep space travel. Of particular concern is the potential for cosmic radiation exposure to compromise critical decision making during normal operations or under emergency conditions in deep space. Rodents exposed to cosmic radiation exhibit persistent hippocampal and cortical based performance decrements using six independent behavioral tasks administered between separate cohorts 12 and 24 weeks after irradiation. Radiation-induced impairments in spatial, episodic and recognition memory were temporally coincident with deficits in executive function and reduced rates of fear extinction and elevated anxiety. Irradiation caused significant reductions in dendritic complexity, spine density and altered spine morphology along medial prefrontal cortical neurons known to mediate neurotransmission interrogated by our behavioral tasks. Cosmic radiation also disrupted synaptic integrity and increased neuroinflammation that persisted more than 6 months after exposure. Behavioral deficits for individual animals correlated significantly with reduced spine density and increased synaptic puncta, providing quantitative measures of risk for developing cognitive impairment. Our data provide additional evidence that deep space travel poses a real and unique threat to the integrity of neural circuits in the brain.

Abstract Sensorimotor function, motivation, and attentional processes are fundamental aspects of behavioral organization during skilled tasks. NASA’s planned expedition to Mars will expose astronauts to space radiation (SR) that has the potential to impair performance in mission critical tasks. Impairments in task accuracy and movement kinematics have been previously reported during string-pulling behavior ~7 months after SR exposure. If similar SR-induced sensorimotor deficits emerge at earlier times, then astronauts may have compromised in-flight performance disruptions while performing skilled tasks in critical situations, such as when manipulating controls or performing seat egress. Due to the possibility that such performance losses may compromise mission success, it is critical to determine if sensorimotor, motivation, or attentional deficits occur acutely after SR exposure at a time point that corresponds to in-flight performance. Male Wistar rats were thus exposed to either 10 cGy simplified galactic cosmic radiation (GCRsim), 10 cGy 4 Helium ( 4 He), or no radiation at all (Sham), and string-pulling behavior was assessed approximately 72 hours later. Following exposure to SR, rats ( 4 He) took more time to approach the string to initiate string-pulling behavior and to pull in the string to reach the Cheerio ( 4 He and GCRsim) relative to Sham rats. 4 He-exposed rats also exhibited a greater number of misses and less contacts relative to both Sham and GCRsim-exposed rats. Further, rats exposed to 4 He demonstrated less concentrated reach endpoints with both the left and right hands compared to GCR-exposed rats. This work suggests that sensorimotor function and motivation and/or attentional processes were impaired 72 hours after 4 He-radiation exposure.

The prolonged exposure to multiple spaceflight stressors during long-duration missions to the Moon and Mars will be challenging to the physical and mental health of the astronauts. Ground-based studies have reported that attentional set-shifting task (ATSET) performance is impaired after space radiation (SR) exposure. At certain times during deep-space missions, astronauts will likely have to contend with the combined impacts of SR and sleep perturbation. In rats, poor quality, fragmented sleep adversely impacts performance in multiple cognitive tasks, including the ATSET task. While both SR and sleep perturbations independently cause cognitive performance deficits, the incidence, severity and exact nature of those decrements following combined exposure to these flight stressors is largely unknown. This study established the impact that a single night of fragmented sleep has on ATSET performance in both male and female rats exposed to 10 cGy of galactic cosmic ray simulation (GCRsim). The GCRsim beam is a complex beam that mimics the mass and energy spectra of the SR particles that an astronaut will be exposed to within the spacecraft. Rats that had no obvious ATSET performance decrements when normally rested were subjected to fragmented sleep and their ATSET performance reassessed. Sleep fragmentation resulted in significant ATSET performance decrements in GCRsim-exposed rats, with specific performance decrements being observed in stages where attention or cue shifting is extensively used. Performance decrements in these stages are rarely observed after SR exposure. While both male and female rats exhibited latent sleep-related performance decrements, these were sex dependent, with male and female rats exhibiting different types of performance decrements (either reduced processing speed or task completion efficiency) in different stages of the ATSET task. This study suggests that SR-induced cognitive impairment may not be fully evident in normally rested rats, with an underestimation of both the incidence and nature of performance decrements that could occur when multiple space flight stressors are present. These data suggest that that there may be synergistic interactions between multiple space flight stressors that may not be easily predicted from their independent actions.