С момента начала пилотируемых космических полётов учёные тщательно изучают влияние космоса и микрогравитации на космонавтов. После десятилетий наблюдений и исследований стало ясно: космос оказывает серьёзное воздействие на человеческий организм. Мышцы атрофируются, кости теряют массу, конечности растягиваются, а зрение может ухудшаться способами, которые ещё не до конца изучены.
Чтобы лучше понять потерю зрения, вызванную космическими полётами, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего использовали ресурсы Национального научного фонда США (NSF) ACCESS в системе Expanse в Суперкомпьютерном центре Сан-Диего (SDSC), чтобы предсказать, кто наиболее подвержен риску развития проблем со зрением до старта.
Команда, возглавляемая исследователями из Института глаз Шили и Департамента офтальмологии семьи Витерби в сотрудничестве с Институтом науки о данных Халиджиоглу (HDSI) в Школе вычислений, информации и науки о данных Калифорнийского университета в Сан-Диего, использовала искусственный интеллект (ИИ), обученный на сканах глаз высокого разрешения, чтобы предсказать людей с наивысшим риском.
Согласно NASA, около 29% членов экипажа, участвовавших в краткосрочных космических полётах, сообщили об ухудшении остроты зрения вдаль или вблизи. Для членов экипажа длительных миссий этот показатель вырос до 60%.
В 2017 году учёные впервые использовали название «Синдром, связанный с космическими полётами, нейроокулярный» (SANS) для описания ухудшения зрения, вызванного космическими полётами. Хотя симптомы, включая отёк диска зрительного нерва (начало зрительного нерва, который идёт в мозг), сдвиги зрения и структурные искажения, часто исчезают в течение нескольких недель или месяцев после полёта, в некоторых случаях они не исчезают в течение многих лет после длительных миссий.
«Наши модели показали многообещающую точность, даже при обучении на ограниченных данных», — сказал ведущий автор Алекс Хуан, доктор медицинских наук, профессор офтальмологии в Школе медицины Калифорнийского университета в Сан-Диего и сотрудник HDSI. «Мы, по сути, используем ИИ, чтобы дать врачам инструмент прогнозирования состояния, которое развивается в космосе, ещё до того, как астронавты покинут Землю».
Хуан добавил, что такие инструменты, как разработанный его командой, могут помочь в управлении рисками и, в будущем, в принятии профилактических мер до запуска.
Система ИИ была обучена с использованием сканов оптической когерентной томографии (ОКТ) — изображений зрительного нерва, напоминающих микроскоп, — собранных до и во время космического полёта. Исследователи также использовали данные исследований постельного режима с наклоном головы вниз на Земле. В этой процедуре участники лежали в непрерывном шестиградусном наклоне головы вниз 24 часа в сутки, что имитировало эффект невесомости за счёт смещения жидкостей к голове.
Чтобы преодолеть проблему ограниченности данных об астронавтах, команда использовала глубокое обучение — форму ИИ, которая имитирует то, как мозг обрабатывает изображения. Они разбили каждый сканограмму глаза на тысячи срезов, создав гораздо больший набор данных для обучения моделей. Исследователи также использовали увеличение данных и трансферное обучение, которые помогают ИИ обобщать информацию из небольших выборок.
Затем, с помощью ресурсов NSF ACCESS в системе Expanse SDSC, команда обучила и протестировала свои модели. Лучшая версия могла предсказывать SANS с точностью до 82%, используя только предполётные сканы. Даже модели, обученные на данных земного постельного режима, показали хорошие результаты, что говорит о том, что изменения, подобные SANS, в этих симуляциях близко соответствуют изменениям в реальных космических полётах.
«Одним из самых захватывающих открытий было то, насколько похожи были схемы внимания ИИ как в космических, так и в земных данных», — сказал Марк Кристофер, доктор философии, учёный-офтальмолог из Калифорнийского университета в Сан-Диего и соавтор исследования. «Это усиливает аргументы в пользу использования земных моделей для изучения здоровья в космосе — многообещающее развитие в направлении продвижения исследований пилотируемых космических полётов».
Для лучшего понимания того, что «видит» ИИ, исследователи использовали карты активации классов — визуальные тепловые карты, которые выделяют области, представляющие интерес. Модели последовательно фокусировались на определённых слоях глаза, участвующих в регуляции баланса жидкости и давления, таких как задняя часть слоя нервных волокон сетчатки глаза и пигментный эпителий сетчатки, что дало учёным новые подсказки о биологии, стоящей за SANS.
Хотя исследователи предупреждают, что их модели ещё не готовы к клиническому использованию, они видят огромный потенциал в будущих версиях. Эти инструменты ИИ однажды могут помочь NASA персонализировать уход за астронавтами, направлять разработку контрмер и даже прогнозировать тяжесть оптических изменений во время будущих долгосрочных космических миссий.
«Результаты и модели этого исследования являются ранними, но это прочная основа», — сказал Хуан. «С большим количеством данных и усовершенствований это может стать неотъемлемой частью планирования здоровья астронавтов».
Исследование опубликовано в American Journal of Ophthalmology.
Предоставлено:
[University of California – San Diego](https://phys.org/partners/university-of-california—san-diego/)