Том 24, № 4 (2024)
326-327
Теоретическая и математическая физика
Химерные состояния в системах супердиффузионно связанных нейронов
Аннотация
Одни из самых интригующих коллективных явлений, которые могут наблюдаться в системах связанных осцилляторов различной природы, – это химерные состояния. Они характеризуются возникновением согласованной пространственной синхронизации и рассинхронизации в изначально однородной системе. В данной работе обсуждаются результаты исследований одномерной и двухмерной систем взаимодействующих нейронов, организованных на основе дробного оператора Лапласа и супердиффузионного кинетического механизма. Их использование существенно расширяет возможности описания химероподобных явлений с позиции классического реакционно-диффузионного подхода. Ввиду собственной математической лаконичности и способности воспроизвести почти все известные сценарии точечной нейронной активности, в качестве нелинейной части были использованы функции модели Hindmarsh–Rose. В обсуждаемых исследованиях демонстрируется, что одномерные и двухмерные системы двух- и трехкомпонентных реакционно-супердиффузионных уравнений, организованных на основе дробного оператора Лапласа, способны воспроизводить химерные состояния. Проанализированы динамические режимы в параметрическом пространстве параметров дробного оператора Лапласа, связанные с формообразующими особенностями сетей взаимодействующих нейронов. Обсуждаются параметрические области возникновения режимов синхронизации, режимов некогерентного поведения и химерных состояний. Результаты представленных исследований могут быть использованы в задачах вычислительных нейронаук и различных междисциплинарных исследований в качестве альтернативы существующим сетевым моделям.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024;24(4):328-339
328-339
Оптика и спектроскопия. Лазерная физика
Сравнительный анализ низкочастотных колебательных спектров нативных и денатурированных белков
Аннотация
Изменения вторичной и третичной структур белковых молекул при термической денатурации приводят к изменениям их колебательных спектров. В диапазоне «отпечатков пальцев» проявляются колебания, соответствующие элементам первичной и вторичной структуры белка, в то время как в низкочастотном (НЧ) спектральном интервале (40– 500 см−1) могут наблюдаться моды колебаний крупных фрагментов, соответствующие более высоким уровням иерархии структуры белка. Проведено сравнение колебательных спектров двух белков(коллагена и химотрипсина), имеющих различные вторичные и третичные структуры, а также спектры термически денатурированных образцов этих белков в диапазоне «отпечатков пальцев» и НЧ диапазоне. Выявлены некоторые спектральные особенности, которые могут характеризовать изменения третичной структуры белковых молекул.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024;24(4):340-347
340-347
Биофизика и медицинская физика
Математическое моделирование термографического изображения вен при варикозной болезни нижних конечностей
Аннотация
Выполнено математическое моделирование термограммы задней поверхности голени человека при наличии варикозной болезни. Для моделирования процессов теплового переноса с учётом кровотока в биологических тканях использовалось дифференциальное уравнение теплопроводности. Биологические ткани за исключением сосудов при этом задавались слоями, границы которых были определены по результатам рентгеновской компьютерной томографии. В качестве венозных сосудов рассмотрены включения, по форме отображающие анатомическое строение поверхностных и магистральных вен, которые расположены непосредственно в основных тканевых слоях. Полученное распределение теплоты качественно похоже на реальные ИК термограммы, что позволяет считать выполненное моделирование успешным. Проведено численное моделирование процесса распространения теплоты в голени с целью исследования вопроса о зависимости вызываемого варикозной болезнью вен нижних конечностей изменения температуры на задней поверхности голени от максимальной глубины залегания поверхностных и магистральных варикозных вен, их диаметров, температуры их поверхности, скорости перфузии, температуры окружающей среды. Сделан анализ возможности регистрации таких изменений температуры современным ИК термографом. Сравнение с экспериментальными результатами, имеющимися в литературе, показало, что выполненное математическое моделирование имитирует начальные стадии варикозной болезни вен нижних конечностей.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024;24(4):348-360
348-360
Оптические измерения микрореологических параметров крови и анализ их связи с её вязкостью при сердечно-сосудистых заболеваниях
Аннотация
Реология крови и перфузия тканей и органов определяются многими параметрами, такими как вязкость крови, агрегация и деформируемость эритроцитов, агрегация тромбоцитов. При различных сердечно-сосудистых заболеваниях (ССЗ) эти параметры могут меняться. Целью данной работы было исследование взаимосвязи между вязкостью цельной крови и микрореологическими параметрами крови у пациентов с ишемической болезнью сердца (ИБС), фибрилляцией предсердий (ФП) и хронической сердечной недостаточностью. Было показано, что для пациентов с ФП наблюдается отрицательная корреляция (r = –0.39) между вязкостью крови и деформируемостью эритроцитов. Однако для пациентов с ИБС наблюдается обратная (положительная) (r = 0.37), по сравнению с пациентами с ФП, корреляция между вязкостью крови и деформируемостью эритроцитов. Это может говорить о том, что при различных заболеваниях могут наблюдаться противоположные корреляции между вязкостью крови и её микрореологическими параметрами. Также для пациентов с ИБС и ФП наблюдались положительные корреляции между индексом агрегации эритроцитов (см. определение ниже), скоростью агрегации тромбоцитов и средним радиусом их агрегатов (r = 0.41–0.45). То есть при увеличении агрегации эритроцитов также повышаются параметры, характеризующие скорость агрегации тромбоцитов. Полученные результаты выявили новые данные о корреляции между вязкостью цельной крови и микрореологическими параметрами как эритроцитов, так и тромбоцитов у пациентов с ССЗ, поскольку долгое время считалось, что именно тромботическое звено гемостаза главным образом определяет вязкость крови. Они могут послужить важными предварительными данными для выяснения взаимосвязи между характеристиками крови в контексте ССЗ.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024;24(4):361-373
361-373
Моделирование влияния осмотического давления на рост раковых клеток: роль размера области и длительности воздействия
Аннотация
Одним из новых и эффективных методов лечения рака кожи и других пролиферативных заболеваний, таких как псориаз, является фототерапия, при этом из-за многократного рассеяния воздействующих световых волн существует проблема ограничения проникновения излучения в глубину ткани. Эту проблему можно решить с помощью введения оптических просветляющих агентов, многие из которых являются гиперосмотическими. В свою очередь, действие гиперосмотических агентов может вызывать побочные эффекты, обусловленные возникновением дополнительного внешнего давления, которое может как увеличивать, так и уменьшать скорость пролиферации раковых клеток. В данной работе проводится численное моделирование двумерной модели слоя эпидермальных клеток на базальной мембране в условиях воздействия дополнительного внешнего давления. Исследуется влияние размера области локализации дополнительного давления, его величины и длительности воздействия на пролиферацию раковых клеток в области бинарной поверхности, состоящей из здоровых и раковых клеток. Определены параметры, при которых происходит замедление скорости пролиферации раковых клеток. Показано, что наиболее выраженное замедление происходит при введении дополнительного давления 2 кПа в области 1×1 мм (размер всей системы 2×2 мм). Исследования проводились при двукратном и пятикратном увеличении давления в выбранной области (2 кПа и 5 кПа). Также рассматриваются влияние момента введения дополнительного давления и его длительность.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024;24(4):374-383
374-383
Из истории физики
Юрий Михайлович Романовский – судьба, наука и встречи
Аннотация
Статья представляет собой воспоминания о Юрии Михайловиче Романовском (1929–2022) – биофизике с мировым именем, почетном профессоре МГУ, этапах его жизни, научной и личной судьбе – его сыновей Михаила и Александра. Описывается становление Ю. М. Романовского как ученого и личности, влияние на него семьи, однокурсников, старших сподвижников и друзей, представлявших цвет советской и российской науки за последние 60 лет, а также его личный вклад в мировую науку – особенно в математическую биофизику. Много внимания уделено его научно-общественной деятельности: от председателя жилищного кооператива ученых и преподавателей МГУ до составления биографий выпускников физического факультета МГУ, внесших неоценимый вклад в развитие научного и промышленного потенциала нашей страны. Отмечена его активная деятельность, способствовавшая развитию сотрудничества МГУ и СГУ в области биофизики и нелинейной динамики.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024;24(4):384-395
384-395
396-397
Твердотельная электроника, микро- и наноэлектроника
Управление резонансами в одномерной брэгговской структуре сверхвысокочастотного диапазона при использовании в качестве интерфейса слоя дистиллированной воды
Аннотация
Теоретически и экспериментально исследовано возникновение фотонных таммовских резонансов в запрещенных зонах одномерного сверхвысокочастотного фотонного кристалла при использовании в качестве интерфейса структуры, содержащей слой дистиллированной воды, характеризующейся высоким значением действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости в трехсантиметровом диапазоне длин волн. На основании результатов компьютерного моделирования с использованием метода матрицы передачи и эксперимента доказана возможность управления фотонными резонансами Тамма с помощью изменения как толщины слоя дистиллированной воды, так и величины воздушного зазора между фотонным кристаллом и слоем воды. Установлено, что при увеличении толщины слоя дистиллированной воды наблюдаются осцилляции частоты и амплитуды таммовского резонанса как в первой, так и во второй запрещенной зоне одномерной брэгговской структуры сверхвысокочастотного диапазона, затухающие при большой толщине слоя воды. При этом наибольшая амплитуда таммовского резонанса достигается для каждой толщины слоя воды при определенном значении воздушного зазора.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024;24(4):398-411
398-411
Исследование возможности реализации среднечастотного широкополосного генератора качающейся частоты на структуре полуизолирующего арсенида галлия
Аннотация
Показана принципиальная возможность получения качания частоты токовых колебаний в диапазоне низких и средних частот на основе возникающей в сильных электрических полях рекомбинационной неустойчивости тока в полуизолирующем арсениде галлия. В предложенном варианте конструкции экспериментального образца катодным контактом является мезаструктура, а анодным – точечный прижимной контакт. Перестройка частоты выходного сигнала осуществляется изменением интенсивности засветки лазерным диодом межконтактной области образца. Наличие практически линейного участка на зависимости частоты от интенсивности освещения, на котором также сохраняется постоянство амплитуды выходного сигнала, позволяет утверждать о возможности создания первичного генератора в составе генератора качающейся частоты (свип-генератора) на основе предложенного принципа.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024;24(4):412-417
412-417
Аналоговые модели базовых троичных логических элементов комбинационной логики
Аннотация
Уже сегодня очевидно, что быстродействие современных микропроцессоров приближается к своему пределу. Наращивать тактовую частоту и повышать быстродействие входящих в их состав транзисторов за счет уменьшения их размеров становится все сложнее из-за фундаментальных физических ограничений. Возможные способы повышения производительности микропроцессоров могут быть найдены на путях внедрения принципиально новых материалов и технологий, что связано с необходимостью частичного или полного отказа от современной технологии производства электронных компонентов. Тем не менее, существует и вариант развития, позволяющий повысить производительность микроэлектронных устройств без отказа от привычных и отлаженных технологий, как в области создания интегральных схем, так и микроархитектуры. Переход цифровой техники от двоичной основы к троичной системе счисления, т. е. использованию в рамках одного разряда трёх возможных состояний – ложь/неопределенность/истина – позволяет получить целый ряд преимуществ и в целом предоставляет реальную возможность повысить производительность микропроцессорной техники при прочих равных условиях. В связи с этим целью работы является разработка аналоговых моделей логических элементов троичной логики, совместимых по характеристикам с современными сериями элементов двоичной КМОП-логики. Предложенные аналоговые модели троичных логических элементов позволяют корректно моделировать сложные устройства цифровой схемотехники, содержащие такие элементы. Выполнен действующий макет троичного логического элемента на типовых отечественных дискретных электронных компонентах, подтвердивший корректность и эффективность разработанных моделей элементов троичной логики. На основе предложенных моделей в дальнейшем были сконструированы основные узлы троичного процессора.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024;24(4):418-428
418-428
Радиофизика, электроника, акустика
Коллективная динамика ансамблей радиотехнических моделей осцилляторов ФитцХью–Нагумо, связанных через хаб
Аннотация
Исследование нелинейной динамики и коллективного поведения элементов в сетях связанных осцилляторов является актуальной задачей для многих научных дисциплин. Объектом исследования в работе являются сети, состоящие из радиотехнических моделей идентичных осцилляторов ФитцХью–Нагумо. Экспериментально исследовалась спайковая активность сети, состоящей из связанных между собой возбудимых аналоговых генераторов ФитцХью–Нагумо. Коллективное поведение элементов рассмотрено сначала в кольце генераторов ФитцХью–Нагумо, связанных отталкивающими диффузионными связями, а затем в трехслойной сети, состоящей из двух таких колец, связанных через общий хаб, тоже представляющий собой генератор ФитцХью–Нагумо. Поскольку в радиофизическом эксперименте невозможно добиться полной идентичности аналоговых генераторов, мы численно исследовали влияние слабой неидентичности осцилляторов ФитцХью–Нагумо на их коллективную динамику и сравнили полученные результаты с экспериментальными. Исследована синхронизация аналоговых генераторов в трехслойной сети при изменении коэффициента связи между генераторами одного из колец и коэффициента связи между хабом и генераторами в обоих кольцах. Показано, что в кольце генераторов ФитцХью–Нагумо в радиофизическом эксперименте наблюдаются различные колебательные режимы при фиксированных значениях параметров возбудимых генераторов. Эти режимы отличаются частотой следования спайков и сдвигом фаз между колебаниями различных генераторов в кольце. Обнаружено существование переключений между этими колебательными режимами. Показано, что при отталкивающих связях генераторов ФитцХью–Нагумо внутри колец и отталкивающих межслойных связях (связях с хабом) возникает частотная синхронизация колебаний всех генераторов сети. Полученные результаты могут быть востребованы при решении задач управления синхронизацией в спайковых нейронных сетях.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024;24(4):429-441
429-441
Методический отдел
Динамическая редукция к стационарным состояниям при квантовых измерениях
Аннотация
Согласно канонам квантовой теории изменение состояния квантовой системы происходит либо непрерывной детерминированной эволюцией, либо почти мгновенным вероятностным проектированием к одному из собственных стационарных состояний (редукцией-коллапсом) в результате взаимодействия с классическим измерительным прибором. При квантовом измерении такое проектирование может быть отнесено как к началу, так и к концу измерительной цепочки. В последнем случае существует возможность парадоксального теоретического вывода о том, что селекция состояния, к которому ведет редукция, может произойти только в сознании наблюдателя. В статье предложена динамическая модель, в которой селекция происходит в самой измеряемой квантовой системе и проектирование совершается кратковременными шагами в согласии с уравнением Шрёдингера.
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024;24(4):442-449
442-449