21.06.2023 (13:00) Семинар ИОФ РАН "Актуальная физика", № 9

С приглашённым докладом "Просвечивающая электронная и атомно-силовая микроскопия в исследованиях внеклеточных везикул" выступит кандидат физико-математических наук Багров Дмитрий Владимирович – ведущий научный сотрудник кафедры биоинженерии биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, автор более 100 статей, составитель и преподаватель курсов по обработке данных, специалист по микроскопии высокого разрешения и исследованию свойств наноматериалов. Регламент выступления – 50 минут (40 минут доклад, 10 минут вопросы).

После лекции пройдёт награждение победителей конкурса лучших работ, опубликованных учёными ИОФ РАН. Регламент – 10 минут.
В заключительной части семинара будут представлены доклады по лучшим работам, опубликованным учёными ИОФ РАН, отобранные комиссией Учёного Совета ИОФ РАН.
Регламент конкурсных выступлений – не более 15 мин доклад и 5 мин – обязательная дискуссия.

Программа семинара:

1. к.ф.-м.н. Д.В. Багров
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия

Просвечивающая электронная и атомно-силовая микроскопия в исследованиях внеклеточных везикул

Методы микроскопии высокого разрешения являются незаменимыми инструментами в биофизике и нанотехнологии. В докладе рассмотрены особенности их применения для исследования внеклеточных везикул – микроскопических частиц, окруженных липидным бислоем, которые секретируются клетками во внеклеточное пространство. Эти частицы привлекают внимание исследователей в связи с их диагностическим потенциалом – специфические изменения их состава могут свидетельствовать о различных заболеваниях. Методы микроскопии высокого разрешения и, прежде всего, просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), необходимы в исследованиях везикул, поскольку они позволяют охарактеризовать их морфологию, измерить размер, и оценить их чистоту.
Самый популярный метод визуализации внеклеточных везикул – это ПЭМ с контрастированием солями тяжелых металлов, прежде всего, ацетатом уранила. При его использовании внеклеточные везикулы вне зависимости от их происхождения имеют морфологию «сдутых мячиков» (cup-shaped morphology), которая позволяет отличить их от примесных частиц. Нами был создан веб-сервис ScanEV (www.bioeng.ru/scanev), основанный на нейросети Mask R-CNN, который автоматически находит на изображениях объекты, имеющие соответствующую морфологию; он автоматизирует и радикально ускоряет обработку изображений. Оригинальный метод корреляционной микроскопии, совмещающий ПЭМ и атомно-силовую микроскопию, позволил установить, что эта морфология обычно является результатом обработки образца ацетатом уранила, а не только результатом деформации везикул при их адсорбции на подложку и высушивании. Наиболее полную информацию о структуре внеклеточных везикул позволяет получить крио-ПЭМ. При ее использовании образцы быстро замораживают в жидком этане и исследуют непосредственно во льду, это позволяет наблюдать исследуемые объекты в их нативном состоянии. Первые эксперименты, выполненные методом крио-ПЭМ, показали, что вопреки классическим представлениям примерно 20% частиц имеют не одну мембрану, а две или более.
Методы, описанные в докладе, используются при разработке новых диагностических систем, основанных на анализе состава внеклеточных везикул.

2. д.ф.-м.н., профессор С.В. Демишев
Награждение грамотами победителей конкурса лучших работ, опубликованных учёными ИОФ РАН

3. А. Рыбалтовский (1, 2), А. Базакутца (1), Б. Денкер (3), О. Егорова (3), С. Сверчков (3), В. Вельмискин (3)
(1) Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия

(2) Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова РАН, Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия

(3) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия

Лазерные характеристики ультракороткого резонатора Фабри-Перо на основе фоточувствительного Er-Yb многокомпонентного волокна с силикофосфатной оболочкой

Презентация

На конкурс представлена статья:
A.A. Rybaltovsky, A.P. Bazakutsa, B.I. Denker, O.N. Egorova, S.E. Sverchkov, V.V. Velmiskin. Lasing features of the ultra-short Fabry–Perot cavity on the basis of a photosensitive Er/Yb-doped multimaterial fiber with a silicophosphate core. Journal of the Optical Society of America B, Vol. 40, No. 5 / May 2023 / pp. 1182-1186 DOI:10.1364/JOSAB.486728

В работе создан одночастотный волоконный лазер на основе разработанного и изготовленного в ИОФ РАН композитного оптического волокна, активированного системой Yb-Er. Такие композитные (с сердцевиной на фосфатной основе, и с кварцевой оболочкой) волокна сочетают достоинства фосфатных волоконных световодов (высокий уровень легирования редкоземельными ионами, эффективная лазерная генерация в системе Yb-Er) и кварцевых волоконных световодов (механическая прочность, влагостойкость, возможность сварки со стандартными кварцевыми волокнами). Еще одним достоинством волокна, созданного в рамках данной работы, явилась повышенная фоточувствительность, позволившая записывать в нем Брэгговские решетки показателя преломления с помощью стандартной методики УФ облучения сердцевины через фазовую маску. Фоточувствительность обеспечивалась новым оригинальным методом – введением в состав стекла сердцевины ионов Gd3+, обладающих интенсивными полосами поглощения в ультрафиолете.
Представленный в настоящей работе одночастотный лазер имел короткий резонатор типа Фабри-Перо, изготовленный целиком на отрезке активного композитного волокна. Функцию зеркал-отражателей в этом резонаторе выполняли согласованные по длине волны отражения Брэгговские решётки. Для записи Брэгговских решёток использовалась разработанная в НЦВО ИОФ РАН установка на базе эксимерного ArF лазера, генерирующего импульсное УФ-излучение с длиной волны 193 нм. Ранее для записи Брэгговских решёток в композитных волокнах нами использовалось излучение фемтосекундного лазера, однако при этом в облучённых областях волокна наводились дополнительные оптические потери. Лазерные резонаторы с такими решётками имели низкую эффективность. Использование УФ-излучения вместо фемтосекундного позволило устранить источник внутрирезонаторных потерь, связанных с записью решёток.
Благодаря высокому содержанию ионов эрбия и иттербия в сердцевине волокна обеспечивалось усиление на 0,45 дБ/см на длине волны излучения лазера (1550 нм), что позволило сократить эффективную длину резонатора до весьма малой величины - 11 мм и обеспечить устойчивую селекцию в резонаторе единственной продольной моды. Стабильность одночастотного режима генерации резонатора была дополнительно подтверждена с помощью сканирующего интерферометра.
В одночастотных лазерах, использующихся в подавляющем большинстве прикладных задачах телекоммуникации и метрологии, критически важно поддерживать непрерывный режим (“continuous-wave”) генерации. Основным недостатком эрбиевых одночастотных волоконных лазеров, исследованных в более ранних работах, являлся самопроизвольный переход из непрерывного режима генерации в импульсный (режим самомодуляции добротности, “self-Q-switch”).
В настоящей работе при исследовании лазерного резонатора был впервые обнаружен и качественно объяснен интересный и практически важный эффект. Если при накачке по сенсибилизационной схеме в полосу поглощения иттербия (на 974.5 нм) лазер во всем диапазоне значений мощности накачки генерировал строго непрерывно, то при накачке непосредственно ионов эрбия (на длине волны 1485 нм) лазер имел тенденцию к самомодуляции добротности, а непрерывный режим достигался лишь при значительном (в несколько раз) превышении порога.
Накачка в полосу поглощения Yb3+ оказалась также энергетически более эффективной. Она обеспечила низкопороговую (6 мВт) и эффективную (дифф. КПД 4% от поглощенной мощности) работу на одной продольной моде с выходной мощностью 17 мВт.
Таким образом, по своим характеристикам созданный лазер вполне сопоставим с коммерчески доступными полупроводниковыми диодными аналогами, использующимися в настоящее время в телекоммуникационном сегменте. В то же время, волоконный одночастотный лазер, по сравнению с полупроводниковым, отличается большей компактностью, простотой встраивания в существующие оптоволоконные системы, нечувствительностью к электромагнитным помехам, устойчивостью к воздействию агрессивных сред, а также более широким рабочим диапазоном температур (от -50 до +100 0С). Разработка волоконных одночастотных лазеров является на сегодняшний день особенно актуальной в связи с дефицитом импортной полупроводниковой продукции.
Вклад авторов из ИОФ РАН являлся определяющим и заключался в разработке и изготовлении оптического волокна, записи в нем Брэгговских решеток, проведении генерационных исследований.

4. М.А. Терещенко
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия

Электронно-циклотронный резонансный нагрев на второй гармонике: возможный негативный эффект трансформации мод вблизи резонанса

Презентация

На конкурс представлена статья:
M. Tereshchenko, Second-harmonic electron-cyclotron resonance heating: A possible impact from mode coupling near the resonance, Physical Review E (2023), Vol.107, No.5, 055209 DOI: 10.1103/PhysRevE.107.055209

В работе исследован эффект линейной трансформации собственных волновых мод в неоднородной магнитоактивной плазме вблизи резонанса на второй гармонике электронно-циклотронной частоты при поперечном по отношению к внешнему магнитному полю распространении СВЧ пучка. В приближении холодной плазмы этот эффект отсутствует, и поэтому он малоизвестен; его роль в возможном нежелательном уширении профиля энерговклада при электронно-циклотронном нагреве плазмы в установках с магнитным удержанием была неизвестна. Суть рассмотренного эффекта – сильное искажение дисперсионных свойств быстрой необыкновенной волны в условиях значительной неэрмитовости дисперсионного тензора плазмы вблизи данного резонанса и вызванное этим локальное совпадение законов дисперсии сильнозатухающей необыкновенной и слабозатухающей обыкновенной волн. Эффект, названный нами «неэрмитова трансформация мод», был исследован теоретически с помощью усовершенствованной асимптотической техники «Gaussian beam tracing», основанной на коротковолновом параксиальном приближении. Были получены уравнения, описывающие эволюцию амплитуд взаимодействующих мод при произвольной неортогональности их поляризаций вследствие неэрмитовости плазмы и при произвольных прочих характеристиках СВЧ пучка. Анализ параметров, ответственных за интенсивность обмена энергией между модами, показал следующее: среди разнообразных типов неоднородности плазмы и магнитного поля, встречающихся в трехмерных магнитных конфигурациях, только величина неоднородности магнитного поля вдоль его силовых линий влияет на обмен энергией. Параметры СВЧ пучка также не влияют на эффективность трансформации. Численное интегрирование полученных уравнений было проведено при максимальных значениях указанного параметра неоднородности, которые встречаются среди существующих тороидальных установок, в актуальном диапазоне электронных концентраций и температур. Установлено, что в условиях экспериментов на токамаках и стеллараторах, при температурах электронов, превышающих 200 эВ, эффект неэрмитовой трансформации мод незначителен. В открытых же ловушках этот эффект может существенно ухудшать качество нагрева.

5. Н.Г. Гусейн-заде (1), А.А. Слезкин (2), Э.А. Аллахьяров (3)
(1) Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
(2) МИРЭА – Российский технологический университет, Москва, Россия
(3) Объединенный институт высоких температур РАН, Москва, Россия

Применение временных срезов в статистической обработке сигналов электроэнцефалографии головного мозга при реакции на зрительные стимулы

Презентация

На конкурс представлена статья:
N. G. Gusein-zade, A.A. Slezkin, E.Allahyarov, Statistical processing of time slices of electroencephalography signals during brain reaction to visual stimuli Biomedical Signal Processing and Control. — 2023.— 83.— 104656 DOI: 10.1016/j.bspc.2023.104656.

В работе исследуются отклики коры головного мозга при обработке реакции на зрительные стимулы в виде фотографий человеческих лиц с целью обнаружения факта самоидентификации и локализации структур головного мозга, отвечающих за нее. С помощью предложенного статистического метода обработки данных, удается определить разницу в реакции мозга на зрительные стимулы при использовании стандартной схемы размещения электродов на поверхности головы ЭЭГ 10-20%.
В отличии от большинства статей, в которых реализовано много различных методов, в том числе основанных на машинном обучении, которые хорошо решают задачу классификации (определение свое или чужое лицо), в нашей статье решается совсем другая задача. Нами предложен метод, который по результатам анализа данных ЭЭГ на стимулы, определяет участки мозга, где и в какой момент времени решается задача об идентификации лиц. Эта проблема актуальна, так как до сих пор нет четкого понимания какие участки мозга и в какой момент времени участвуют в процессе распознавания зрительных образов. В частности, результаты фМРТ исследований в зависимости от применяемого подхода часто расходятся в локализации структур мозга, ответственных за распознавание своего лица [1, 2]. К настоящему времени стало известно лишь немногое, в частности, что скорость опознания собственного лица выше, чем скорость опознания лиц знакомых и незнакомых людей [3, 4, 5]). Обычно такие задачи – локализация времени и структур мозга, ответственных за реакцию на стимулы, решаются с помощью нелинейного анализа данных ЭЭГ, но в случае задачи распознавания своего/чужого лица они показали лишь увеличение показателей вариабельности всех исследуемых параметров. Область мозга и время решения задачи дифференцировки в нашей статье были определены впервые.
Используя предложенный в статье метод временных срезов, впервые удается определить наиболее значимые участки мозга, участвующие в процессе дифференцировки реакции на зрительные стимулы, можно указать какие именно два – три электрода ЭЭГ являются оптимальными для задачи классификации (свое/чужое лицо). В дальнейшем, используя данные только этих, определенных нами, электродов, можно использовать любые из существующих, хорошо себя зарекомендовавших подходов к классификации реакций головного мозга на события различной модальности. К ним относятся обработка сигналов ЭЭГ во временной и частотной области как с применением широкого спектра классических методов (Фурье-анализ, корреляционный анализ, вейвлеты и т.д.), так и с применением методов машинного обучения и искусственных нейронных сетей [6, 7, 8, 9]. Практически для всех упомянутых в этих работах подходах к классификации, важным при извлечении первичных признаков для анализа является правильный выбор места расположения электродов и моментов времени по отношению к началу ПСС, в которые точность классификаторов могла бы быть максимально возможной, чему и посвящена данная статья. В нашем исследовании на основании сравнения откликов мозга на зрительные стимулы удается решить задачу выявления локализаций электродов и определения моментов времени, при которых классификаторы, работающие с сигналами ЭЭГ, будут наиболее эффективны.

1. Fink B. et al. Second to fourth digit ratio and face shape //Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. – 2005. – Т. 272. – №. 1576. – С. 1995-2001.
2. Keenan J. P. et al. Left hand advantage in a self-face recognition task //Neuropsychologia. – 1999. – Т. 37. – №. 12. – С. 1421-1425.
3. Luck, S. J. (1998).Neurophysiology of selective attention. Attention, 1, 257-295.
4. Herwig, U., Kaffenberger, T., Schell, C., Jäncke, L., &Brühl, A. B. (2012). Neural activity associated with self-reflection. BMC neuroscience, 13(1), 52.
5. Quinn P. C., Lee K., Pascalis O. Face processing in infancy and beyond: The case of social categories //Annual review of psychology. – 2019. – Т. 70. – С. 165-189.
6. Sheykhivand, S.; Rezaii, T.Y.; Mousavi, Z.; Meshgini, S.; Makouei, S.; Farzamnia, A.; Danishvar, S.; Teo Tze Kin, K. Automatic Detection of Driver Fatigue Based on EEG Signals Using a Developed Deep Neural Network. Electronics 2022, 11, 2169. https://doi.org/10.3390/electronics11142169
7. Sheykhivand, S.; Rezaii, T.Y.; Meshgini, S.; Makoui, S.; Farzamnia, A. Developing a Deep Neural Network for Driver Fatigue Detection Using EEG Signals Based on Compressed Sensing. Sustainability 2022, 14, 2941. https://doi.org/10.3390/su14052941
8. Shahini, N.; Bahrami, Z.; Sheykhivand, S.; Marandi, S.; Danishvar, M.; Danishvar, S.; Roosta, Y. Automatically Identified EEG Signals of Movement Intention Based on CNN Network (End-To-End). Electronics 2022, 11, 3297. https:// doi.org/10.3390/electronics11203297
9. S. Sheykhivand , T. Yousefi Rezaii, A. Naderi Saatlo , N. Romooz Comparison Between Different Methods of Feature Extraction in BCI Systems Based on SSVEP Int. J. Industrial Mathematics (ISSN 2008-5621) Vol. 9, No. 4, 2017 Article ID IJIM-01001, 7 p