Облетая вокруг Земли раз в 90 минут на расстоянии 431 км над поверхностью планеты, Международная космическая станция (МКС) обеспечивает идеальную среду для изучения физиологических эффектов космических путешествий. Это достаточно далеко, чтобы испытать вакуум пространства, но достаточно близко, чтобы доставить припасы и оборудование, и самое главное, ее скорость дает возможность экипажу в значительной степени избежать силы тяжести.

Но исследования членов экипажа МКС, возвратившихся к поверхности, показали, что условия невесомости имеют глубокое влияние на их тела, в том числе на их зрение. С марта 2013 года в рамках продолжающегося перспективного исследования глазного здоровья экипаж увеличил количество диагностических тестов, осуществляющихся на борту, чтобы помочь ученым лучше понять, что именно происходит с их глазами.
При отсутствии защиты нашей атмосферы в теле нарушается порядок без достаточных упражнений, питания и радиационной защиты. При недостаточности тренировок плотность костей может снижаться, что в конечном счете может приводить к их хрупкости и легкости возникновения переломов. Без полной силы тяжести телу больше не требуются усилия, чтобы держаться в вертикальном положении, что приводит к деградации мышц. Без прикрытия атмосферы Земли происходит повышенное облучение.

Изменения при невесомости

В 2005 году после длительного пребывания в космосе астронавты сообщали о проблемах со своим зрением, в частности, когда это приводило к прекращению работы. NASA объявило, что 21 его астронавт столкнулся проблемой со зрением во время или после миссий, и проблема может возникать у 70% всех членов экипажа. Это вопрос космическое агентство обсуждает очень серьезно.
Список клинических данных включает в себя случаи отек диска, скотомы, ватных пятен, деформации хориоидального слоя, уплощения задней части глаза и гиперметропческого сдвига — в некоторых случаях изменение рефракции составляло 1.75D.

«В настоящее время для NASA это риск номер один при космическом полете человека на МКС,» объясняет д-р Кристиан Отто, врач из Ассоциации университетов для космических исследований в Хьюстоне и главный исследователь в области изучения глазного здоровья в NASA.

Д-р Отто сказал Optometry Today: «Хотя никаких долгосрочных медицинских последствий пока не наблюдалось, NASA использует значительные ресурсы для понимания и оценивания проблемы и разработки контрмер — способов, в которые, возможно, позволят уберечь и облегчить будущие длительные космические миссии.»

Проверка зрения уже давно осуществляется в качестве стандартного медицинского компонента до и после полета членов экипажа. Но для увеличения своего массива доступных диагностических данных, агентство выделяет все больше драгоценного времени космонавта для сбора бесценных данных.

В рамках профилактического тестирования, NASA проводит цифровое обследование глазного дна, тонометрию, глазное УЗИ и измерение осевой длины. До и после полета также осуществляется проверка полей зрения, способности хрусталика к преломлению, а также МРТ, чтобы проверить наличие неврологической патологии или изменений. Экипаж проводит шесть серий испытаний в полете и одну после возвращения на Землю, каждая из которых включает полных набор обследований, затем они повторяются по истечение одного, трех, шести и 12-месяцев.

Клинические испытания

В июне 2013 года, космическое агентство укрепило свой диагностический потенциал путем добавления оптической когерентной томографии (ОКТ) в арсенал станции. Она предназначена для Гейдельбергской спектрометрической ОКТ, которая позволяет обнаружить изменения в сетчатке толщиной лишь в один микрон. "[NASA] подбиралось устройство, которое обеспечит чрезвычайно высокое качество изображения, а также выполнение надежных наблюдений", сказал Кристофер Моди, клинический менеджер программы Heidelberg Engineering.

Спектрометру пришлось пройти ряд тестов, которые включали оценку его способности противостоять вибрации, испытываемой космической станцией при маневрах на околоземной орбите — силам, которые способны разнести оборудование на куски. Когда спросили о совершенствованиях и модификациях, необходимых, чтобы обеспечить «космическую безопасность» спектрометра, г-н Моди сказал Optometry Today: «Ничего вообще. Это инвентарный инструмент прямо с полки».

Отправка такого оборудования в космос не означает подвиг, как объяснил доктор Отто: «Общественное мнение, что легко доставлять вещи на космическую станцию, не далеко от истины». Клиницист пояснил Optometry Today, что даже маленькая часть оборудования должна работать на системах питания станции, и, самое главное, должна быть в состоянии безопасно работать в условиях невесомости.

«То, что это входило в плановые работы на космической станции в течение нескольких последних лет отражает способность… NASA к пониманию того, что это является чрезвычайно важной медицинской проблемой,» добавил он.

В глазах членов экипажа видны изменения, предположительно, в значительной степени из-за смещения жидкости из ног и нижней части тела к голове: крови, лимфы, межклеточной жидкости и спинномозговой жидкости (CSF). Это видно по опухшим лицам астронавтов в начальный период их адаптации к жизни на борту космической станции.

На Земле с силой тяжести, близкой к постоянному значению 9.8 м/с2 (или 1g), некоторое количество CSF накапливаются в позвоночнике. Но при пониженной гравитации на низкой околоземной орбите, как предполагается, реабсорбция блокируется из-за сдвига жидкости, в результате чего CSF накапливаться в субарахноидальном пространстве вокруг мозга и зрительного нерва. Такое блокирование может повышать внутричерепное давление (ВЧД), вызывая расширение оболочки зрительного нерва, и может надавливать на заднюю часть глаза, в результате чего у части команды наблюдается сплющивание глазного яблока. NASA настолько озабочены перспективой повреждения зрения его астронавтов, и потенциальными проблемами для будущих дальних пилотируемых миссий, что оно начало программу по исследованию риска нарушения зрения и внутричерепного давления (VIIP).

В то время как многие изменения носят временный характер при продолжительности полета в несколько месяцев, удлинение продолжительности космического полета означает увеличение риска длительного или постоянного повреждения. Случаи отека лазного дна вызывают особую озабоченность, так как набухание может в конечном итоге привести к лишению клеток кислорода. «Если так будет продолжаться в течение достаточно длительного периода, это может вызвать смерть нейронов,» объясняет доктор Отто. «Мы должны проверять периферическое поле зрения [экипажа], так как человек часто может не заметить такие изменения зрения, пока он потеряет до 50% периферического зрения.»

Добавочные факторы

Информация, полученная от ОКТ, уже доказала свою ценность. Данные показали, что некоторые изменения, такие как утолщение сетчатки слоя нервных волокон, происходят только после 10 дней полета. Интересно, что данные тонометрии показывают, что внутриглазное давление (ВГД) продолжает поддерживаться в пределах нормальных физиологических параметров (8-22mmHg). Тем не менее, в долгосрочной перспективе разница между давлениями внутри черепа и внутри глаза может увеличить риск условий, подобных глаукоме (к ним относятся случаи идиопатической внутричерепной гипертензии).

В этом году астронавты будет дальше расширять свои физиологические пределы. С марта русский космонавт и американский астронавт отправятся в 12-месячный полет. Хотя это и не самый продолжительный полет в истории космоса, — его достижение принадлежит российскому космонавту Валерию Поляков, который прожил 437 дней на космической станции Мир, — это будет самый длинный в 15-летней истории Международной космической станции пилотируемый полет. Контрольная миссия; подготовка к более длительным пилотируемым миссиям с одной из самых ближайших целей путешествия на два года с небольшим к Марсу и обратно. Для доктора Отто и других ученых проекта это дает возможность собирать больше данных о глазных изменениях.

Команды здоровья в NASA учитывают и другие факторы риска VIIP, такие как высокая концентрация CO2 на борту МКС. В то время как еще в условиях профессиональной деятельности, уровень этого газа может в десять раз превышать тот, что имеет место на поверхности Земли. Такой газ является мощным сосудорасширяющим и играет свою собственную роль в движении жидкости путем расширения кровеносных сосудов и увеличения притока крови к мозгу.

Эластичность кровеносных сосудов экипажа может быть существенным фактором, и он является еще одним направлением исследований для NASA. Лица с более эластичными сосудами могут лучше приспособить венозный объем крови, где может находиться 80% от ее общего объема. Наличие более эластичных сосудов означает, что больше объема крови может быть размещено в кишечной и грудной областях, как на Земле, что может противостоять притоку крови в голову в условиях невесомости.

Другие показатели

Противодействие эффектам невесомости является ключевым направлением исследований NASA. Экипаж космической станции должен ежедневно тратить по два часа, чтобы противостоять физиологическим эффектам работы в космосе. Это включает в себя аэробные упражнения (с помощью специально разработанной беговой дорожки и велотренажера) и анаэробные упражнения, такие как поднятие тяжестей, и другие силовые упражнения. В то время эти упражнения имеют решающее значение в борьбе с хрупкостью костей и потерей мышц, такие тренировочные нагрузки могут усугублять глазные проблемы путем увеличения потока крови к голове, дальнейшего увеличения давления.
Команда в настоящее время изучает ряд потенциальных контрмер для смягчения последствий невесомости на глаза.

Одним из перспективных устройств механического класса для таких контрмер являются устройства создания отрицательного давления. Описанные доктором Отто, как «как штаны «Человека Мишлена»», устройства создают отрицательное давление вокруг ног, что привлекает кровь от верхней части тела обратно в ноги. Хотя эти устройства многообещающие, они могут быть громоздкими и непригодными для членов экипажа в процессе работы на космической станции. Но они могут быть разработаны для надевания на членов экипажа на период, пока они спят. Русское космическое агентство имеет два устройства; костюм Чибис, который тянет вниз кровь в ногах; и Браслет, жгут, который работает под аналогичному принципу, сохраняя объем крови в ногах путем частичного блокирования венозного потока, а не с помощью отсоса, который показал эффективность при исследовании краткосрочного использования.

Лекарства могут предложить дополнительную контрмеры. Введение простых лекарств для регулирования кровяного давления может уменьшить гипертонию, или может в конечном итоге быть объединено с механическими методами. Тем не менее, большее противодействие может быть обеспечено с помощью искусственной гравитации на космической станции, или любом космическом аппарате, предназначенном для дальнего полета. «Это то, что NASA рассматривало в прошлом и в чем продолжает видеть важность для жизнеспособности будущих миссий», сказал д-р Отто.

Эксперимент измерения движения жидкости астронавты должны начать в марте, что, как полагают, позволит пролить больше света на зависимости между движением жидкости, внутричерепной гипертензией и глазными изменениями — потенциально соединив все нити вместе. «Это очень интересно», — сказал д-р Отто, ", — это впервые, NASA сотрудничает с российскими коллегами для совместного проведения эксперимента такого масштаба в этой области здравоохранения на Международной космической станции. Это феноменально."

Знания, полученные из таких проектов, имеют потенциал, чтобы попасть обратно в клиническую практику. Изучение биомеханики глаза в таких уникальных условиях может дать представление о потенциальных технологиях, которые принесут пользу здоровью глаз обратно на Землю. «Так как больше узнаем, это приносит прямую выгоду для борьбы с такими земными заболеваниями, как глаукома,» объясняет доктор Отто. Ведущий ученый сказал Optometry Today: «Всякий раз, когда вы смотрите на некоторую проблему в новом контексте, пытаясь получить дополнительные сведения, это также помогает вам понять вашу собственную проблему немного лучше.»