С самого начала полетов человека в космос ученые тщательно изучали влияние космоса и микрогравитации на астронавтов. После десятилетий наблюдений и исследований стало ясно, что космос оказывает жестокое воздействие на организм человека. Мышцы атрофируются, кости теряют массу, конечности растягиваются и — что еще более неизвестно — зрение может ухудшаться еще до конца не изученными способами.
Чтобы лучше понять причину потери зрения, вызванной космическим полетом, исследователи из Калифорнийского университета в Сан—Диего использовали данные Национального научного фонда США (NSF) о распределении доступа к системе Expanse в суперкомпьютерном центре Сан-Диего (SDSC), чтобы предсказать, кто наиболее подвержен риску развития проблем со зрением - до старта.
Команда, возглавляемая исследователями из Глазного института Шайли и отделения офтальмологии семьи Витерби в сотрудничестве с Институтом обработки данных Халиджоглу (HDSI) при Школе вычислительной техники, информации и обработки данных Калифорнийского университета в Сан—Диего, использовала искусственный интеллект (ИИ), обученный сканированию глаз с высоким разрешением, для прогнозирования состояния людей в самый высокий риск.
По данным НАСА, около 29% членов экипажа, участвовавших в кратковременных космических полетах, сообщили о снижении остроты зрения на расстоянии или вблизи. Среди членов экипажа, участвовавших в длительных полетах, это число возросло до 60%.
В 2017 году ученые впервые использовали название "Нервно-глазной синдром, связанный с космическими полетами" (SANS) для описания этого ухудшения зрения, вызванного космическими полетами. Хотя симптомы, включая отек диска зрительного нерва (начало зрительного нерва, идущего к головному мозгу), изменения зрения и структурные искажения, часто проходят в течение нескольких недель или месяцев после полета, в некоторых случаях они не проходят в течение многих лет после длительных полетов.
"Наши модели показали многообещающую точность, даже при обучении на ограниченных данных", - сказал ведущий автор Алекс Хуан, доктор медицинских наук, профессор офтальмологии в медицинской школе Калифорнийского университета в Сан-Диего и филиале HDSI. "По сути, мы используем искусственный интеллект, чтобы дать врачам инструмент прогнозирования состояния, которое развивается в космосе, еще до того, как астронавты покинут Землю".
Хуан добавил, что инструменты, подобные разработанному его командой, могут помочь в управлении рисками и, в будущем, в принятии профилактических мер перед запуском.
Система искусственного интеллекта была обучена с помощью оптической когерентной томографии (ОКТ) — изображений зрительного нерва, полученных с помощью микроскопа до и во время космического полета. Исследователи также использовали данные исследований, проведенных на Земле в режиме наклона головы вниз. В ходе этой процедуры участники лежали с постоянным наклоном головы под углом в шесть градусов 24 часа в сутки, имитируя эффект невесомости, перемещая жидкости к голове.
Предсказание непредсказуемого — с помощью суперкомпьютера
Чтобы справиться с проблемой ограниченности данных астронавтов, команда использовала глубокое обучение — форму искусственного интеллекта, которая имитирует то, как мозг обрабатывает изображения. Они разбили каждый снимок глаза на тысячи фрагментов, создав гораздо больший набор данных для обучения моделей. Исследователи также использовали методы увеличения объема данных и обучения переносу, которые помогают ИИ делать обобщения на основе небольших выборок.
Затем, с помощью системы распределения доступа NSF в системе SDSC Expanse, команда обучила и протестировала свои модели. Лучшая версия могла прогнозировать SANS с точностью до 82%, используя только предполетное сканирование. Даже модели, обученные на основе наземных данных о постельном режиме, показали хорошие результаты, что позволяет предположить, что изменения, подобные SANS, в этих симуляциях точно отражают изменения в реальном космическом полете.
"Одним из самых захватывающих открытий стало то, насколько схожи модели внимания ИИ к космическим и земным данным", - сказал Марк Кристофер, доктор философии, специалист по офтальмологическим данным Калифорнийского университета в Сан-Диего и соавтор исследования. - Это подтверждает необходимость использования наземных моделей для изучения состояния здоровья в космосе, что является многообещающим шагом в продвижении исследований, связанных с полетами человека в космос".
Чтобы лучше понять, что "видит" искусственный интеллект, исследователи использовали карты активации классов — визуальные тепловые карты, которые выделяют интересующие области. Модели последовательно фокусировались на определенных слоях глаза, отвечающих за баланс жидкости и давление, таких как слой нервных волокон сетчатки и пигментный эпителий сетчатки, что дало ученым новые сведения о биологии, лежащей в основе SANS.
Хотя исследователи предупреждают, что их модели еще не готовы к клиническому использованию, они видят огромный потенциал в будущих версиях. Однажды эти инструменты искусственного интеллекта могут помочь НАСА персонализировать уход за астронавтами, направлять разработку контрмер и даже прогнозировать серьезность изменений зрения во время будущих длительных космических полетов.
"Результаты и модели этого исследования являются ранними, но это прочная основа", - сказал Хуан. "С получением большего количества данных и их уточнением это может стать важной частью планирования здоровья астронавтов".
