اسکلت یکی از سیستم‌های مهم انسان است که سبب حفظ وضعیت ایستاده و استوار بدن در برابر نیروی جاذبه می‌شود. به‌طور طبیعی اسکلت انسان در محیط جاذبه 1 جی زمین رشد و نمو می‌کند و ساختار استخوانی آن به ‌شکلی طراحی شده است که در مقابل نیروهای وارد بر خود مقاومت کند. لایه خارجی استخوان را پریوست (در مقابل لایه داخلی یا آندوست) گویند. بافت استخوانی محیطی به‌شکل تیغه‌های استخوانی در زیر پریوست قرار دارد. در لایه‌های زیرین، مجاری استخوانی هم‌مرکز (نظیر تنه درخت) در اطراف یک منبع خونی قرار می‌گیرد و سیستم‌های هاورس (استئون) را می‌سازد.

بافت استخوانی از دو قسمت سخت قشری در خارج، و مغز‌ استخوان در داخل تشکیل شده است. قسمتی از استخوان که در مجاورت مغز استخوان قرار دارد، استخوان اسفنجی (ترابکولار) نام دارد. استخوان قشری (compact bone)، در حدود 80 درصد استخوان‌بندی افراد بزرگسال را تشکیل می‌دهد و اکثراً در تنه استخوآنهای دراز وجود دارد. استخوان اسفنجی (spongy or cancellous bone) به‌صورت تیغه‌های موازی میکروسکوپی آرایش می‌یابد و بیشتر در تنه مهره‌ها، دنده‌ها، لگن و انتهای استخوآنهای دراز وجود دارد. ترتیب قرارگیری بافت اسفنجی و متراکم، استحکام مناسب را برای تحرک فراهم می‌سازد. قسمت اسفنجی استخوان وزن بدن را متحمل می‌شود و آن را در برابر شکستگی محفوظ می‌کند. بافت استخوانی دائماً در حال بازسازی است و کلسیم مورد نیاز بدن به‌طور متناوب از ذخایر اسکلتی آزاد می‌شود.

فضانوردانی که بی‌تحرکی طولانی‌مدت را تجربه می‌کنند، مانند بیماران بستری، قطع نخاع، فلج اندام‌های تحتانی، و کسانی که اندام‌هایشان مدت‌ها در گچ می‌ماند، بخش زیادی از توده استخوانی، قدرت استخوانی، و عضلانی خود را از دست می‌دهند. مطالعات مختلف بر روی فضانوردان نشان می‌دهد که از دست رفتن توده استخوانی در مأموریت‌های فضایی به طور متوسط، حدود 1 تا 2 درصد در ماه و از دست دادن کلسیم در فضانوردان تقریباً 10 برابر میزان از دست دادن کلسیم در بدن زنان در اوایل یائسگی است (بیشترین میزان ازبین رفتن توده استخوانی انسان در روی زمین). کاهش توده استخوان باعث کاهش قدرت استخوانی و افزایش خطر شکستگی می‌شود که یکی از مشکلات سلامتی فعلی فضانوردان است و سبب اختلال در کارکرد آنها در مأموریت‌های فضایی می‌شود. پوکی استخوان در فضانوردان یکی از بزرگ‌ترین موانع مأموریت‌های طولانی‌مدت مثل سفر به مریخ است. آموخته‌های ما درباره پوکی‌استخوان (osteoporosis) در فضا موجب خواهد شد تا این معضل را، که بیماری شایع و ناتوان‌کننده‌ای در کره زمین است، بهتر بشناسیم.

اخیراً دانشمندان متوجه شده‌اند که اشعه درمانی در بیماران مبتلا به سرطان، خطر شکستگی خودبه‌خودی استخوان را افزایش می‌دهد و این واقعیت افق جدیدی از تحقیقات برای محققان است. بتمن یکی از دانشمندان ناسا، که در حال حاضر بر روی پوکی‌استخوان کار می‌کند، می‌گوید: "بروز شکستگی استخوان در زنان یائسه‌ای که به علت سرطان گردن رحم و روده بزرگ تحت درمان با اشعه (رادیوتراپی) قرار می‌گیرند 60 درصد و در بیماران مبتلا به سرطان مقعد به میزان 200 درصد افزایش می‌یابد". با توجه به آنکه کاهش توده استخوانی در فضانوردان و مواجه آنها با تشعشعات کیهانی در مأموریت‌های فضایی 30 ماهه به مریخ، امری اجتناب‌ناپذیر است باید شرایطی مهیا کرد تا بتوان مسافران را در برابر آن‌ محافظت نمود.

بتمن (Bateman) در جولای 2006، 35 موش ماده را در معرض یک مواجهه (تک دُز) اشعه‌ به شدت 2گری قرار داد. البته این مقدار تقریباً معادل شدت اشعه‌ای است که برای فرد مبتلا به سرطان استفاده می‌شود. وی موش‌ها را به 4 گروه تقسیم کرد و اثر اشعه‌های مختلف گاما (امواج الکترومغناطیسی با طول موج کوتاه و انرژی بالا که به وسیله مواد رادیواکتیو تابیده می‌شود)، پروتون (از اجزای اتم با بار مثبت و اندازه حدوداً 1836 برابر بزرگ‌تر از الکترون)، کربن و یونیزه (اشعه با قدرت بالا با انرژی کافی برای خارج‌کردن الکترون از مدار حرکتی و در نتیجه باردارکردن هسته) را روی آنها بررسی کرد. سپس قسمت ابتدایی استخوان بزرگ ساق پا (تیبیا) و استخوان ران (فمور) را به وسیله سی‌تی‌اسکن بررسی کرد. طبق نتایج به‌دست آمده، اشعه کربن باعث شد تا توده استخوان اسفنجی 39 درصد (بیشترین کاهش) کاهش یابد. اشعه‌های پروتون، یونیزه و گاما به ترتیب 35، 34 و 29 درصد توده استخوان اسفنجی را کاهش دادند. میزان کاهش اتصالات متحمل‌کننده وزن در استخوان اسفنجی در بین چهار گروه، حدود 46 تا 64 درصد متغیر بود.

شایان ذکر است که قطع اتصالات استخوانی برگشت‌پذیر نیست و با درمان‌های جبرانی بهبود نمی‌یابد. تک‌تک اشعه‌های؛ گاما، پروتون، کربن و یونیزان در این مطالعه نسبت به مجموع این اشعه‌ها (پروتون و یون‌های سنگین یا اشعه‌های یونیزان) تخریب کمتری داشت. طبق اظهارات بتمن در میزان‌های بسیار پایین اشعه هم، که انتظار کاهش توده استخوانی نمی‌رفت، این معضل مشاهده شد. براساس مطالعه بتمن مشخص شده است که اشعه بر روی قسمت قشری و سخت استخوان اثر محسوسی ندارد و فقط ناحیه اسفنجی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. براساس نتایج این مطالعه، تشعشعات فضایی موجب تشدید کاهش توده استخوانی و وخیم‌تر شدن اثرات زیان‌آور بی‌وزنی بر روی استخوان می‌شود.