Coarse-grained simulation of phospholipid membrane self-assembly in the presence of amyloid beta peptides

• Dina Badreeva (JINR)

Room: 310 At present, there is a hypothesis about the key role of amyloid beta peptide in the onset of Alzheimer's disease. It is considered that its interaction with cell membranes causes a disruption of their permeability and integrity, which may trigger further neurodegenerative processes. The experimental study showed that the peptide took part in the morphological changes of the phospholipid membrane during its transition through the main lipid phase transition temperature. However, this research did not allow us to look into the processes and resulting structures at the atomic level. The latter results are better achieved in the theoretical studies we have carried out recently. In order to describe the assembly process of phospholipid membranes in the presence of amyloid beta peptides, the interaction of Aβ(25-35) with zwitterionic DPPC phospholipids has been simulated using the coarse-grained molecular dynamics method in the GROMACS 2019.3 software package. We have found that the system assembles into bicelle-like structures with peptides on the rim at the temperature below the phase transition of the lipid, while it assembles into a system of small vesicles with peptides embedded in the lipid bilayer at the temperature above the phase transition temperature. The results obtained are in good agreement with those obtained experimentally and complement the picture of what is happening in phospholipid membranes loaded with amyloid beta peptides. __Крупно-зернистое моделирование самосборки фосфолипидной мембраны в присутствии бета-амилоидных пептидов__ В настоящее время существует гипотеза о ключевой роли бета-амилоидного пептида в возникновении болезни Альцгеймера. Считается, что его взаимодействие с клеточными мембранами вызывает нарушение их проницаемости и целостности, что может спровоцировать дальнейшие нейродегенеративные процессы. Экспериментальное исследование показало, что пептид принимает участие в морфологических изменениях фосфолипидной мембраны при ее переходе через основную температуру фазового перехода липидов. Однако это исследование не позволило нам изучить процессы и возникающие структуры на атомном уровне, что достигается в теоретических исследованиях, проведенных нами в последнее время. Для описания процесса сборки фосфолипидных мембран в присутствии бета-амилоидных пептидов было проведено моделирование взаимодействия между Aβ(25-35) и цвиттер-ионными фосфолипидами ДПФХ методом крупно-зернистой молекулярной динамики в программном пакете GROMACS 2019.3. Мы обнаружили, что при температуре ниже температуры фазового перехода липида система собирается в бицеллоподобные структуры с пептидами на ободе, а при температуре выше температуры фазового перехода – в систему небольших везикул с пептидами, встроенными в липидный бислой. Полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными и дополняют картину происходящего в фосфолипидных мембранах, содержащих бета-амилоидные пептиды.

Numerical study of the influence of model parameters on the effect of magnetic moment reversal in systems of φ0 Josephson junctions with pulsed and inductive current sources

• Maxim Bashashin (MLIT, Joint Institute for Nuclear Research)

Room: 310 A study of the periodic structure of magnetic moment reversal domains in the systems of the φ0-junction superconductor–ferromagnet–superconductor depending on the values of model parameters was carried out. Variants of a φ0-junction system with pulsed and inductive current sources, described by the Cauchy problem for a system of nonlinear ordinary differential equations, were considered. This problem is solved numerically in a wide range of varying model parameters. To speed up mass calculations, parallel versions of computer code were developed, and their efficiency was confirmed by test calculations. The calculations were performed on the HybriLIT computing resources of the JINR Multifunctional Information and Computing Complex. __Численное исследование влияния параметров моделей на эффект переворота магнитного момента в системах φ0 джозефсоновских переходов c импульсным и индуктивным источниками тока__ Проведено исследование периодической структуры доменов переворота магнитного момента в системах φ0-перехода сверхпроводник–ферромагнетик–сверхпроводник в зависимости от значений параметров модели. Рассматриваются варианты системы φ0-перехода с импульсным и индуктивным источниками тока, описываемые задачей Коши для системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений. Эта задача решается численно в широком диапазоне варьируемых параметров модели. Для ускорения массовых расчетов разработаны параллельные версии компьютерного кода, эффективность которых подтверждена тестовыми расчетами. Расчеты выполнены на вычислительных ресурсах HybriLIT Многофункционального информационно-вычислительного комплекса ОИЯИ.

Development of Python-based tools for modeling the dynamics of systems based on Josephson junctions

• Adiba Rahmonova (Joint Institute for Nuclear Research)

Room: 310 Active research into possible applications of systems based on Josephson junctions, superconducting electronics and spintronics necessitates the development of effective tools for the mathematical modeling of such systems. As part of a joint project between MLIT and BLTP, an ecosystem based on the Jupyter environment is being developed using Python libraries and publishing materials in the form of a Jupyter Book. A distinctive feature of this representation is the ability to accompany the computational code with a description of the problem being solved with formulas and graphs. It should be noted that a number of tasks require numerous resource-intensive calculations, which leads to the need for the significant speedup of computational schemes implemented in Python and the development of parallel algorithms. Developed algorithms for calculating the current-voltage characteristic of a Josephson junction under the influence of external radiation and computing the dependence of the width of the Shapiro step on the amplitude of external radiation, as well as implemented approaches for speeding up computational circuits using specialized Python libraries, will be presented. The developed materials are publicly available on the ML/DL/HPC ecosystem of the HybriLIT platform (MLIT JINR) in the form of Jupyter Book. __Разработка инструментария на основе Python для моделирования динамики систем, основанных на джозефсоновских переходах__ Активные исследования возможных применений систем, основанных на джозефсоновских переходах, сверхпроводниковой электроники и спинтроники, обуславливают необходимость разработки эффективного инструментария для математического моделирования таких систем. В рамках совместного проекта ЛИТ и ЛТФ развивается экосистема на базе среды Jupyter с использованием Python-библиотек с размещением материалов в виде Jupyter Book. Отличительной особенностью такого представления является возможность сопроводить вычислительный код описанием решаемой задачи с формулами и графиками. Отметим, что ряд задач требует проведения многочисленных ресурсоемких расчетов, что приводит к необходимости существенного ускорения вычислительных схем, реализованных на Python, и разработке параллельных алгоритмов. Будут представлены разработанные алгоритмы для вычисления вольт-амперной характеристики джозефсоновского перехода под воздействием внешнего излучения и расчета зависимости ширины ступеньки Шапиро от амплитуды внешнего излучения, а также реализованные подходы по ускорению вычислительных схем с использованием специализированных библиотек Python. Разработанные материалы размещены в открытом доступе в экосистеме ML/DL/HPC платформы HybriLIT (ЛИТ ОИЯИ) в виде электронных книг Jupyter Book.

Morris Water Maze and Open Field: development of web service prototypes for automating videodata analysis for behavioral tests

• Anastasia Anikina (Igorevna)

Room: 310 Within a JINR MLIT-LRB project, the BIOHLIT information system, assigned to automate data analysis for investigating the influence of ionizing radiation, is being developed. One of the components of implemented investigations is related to the study of different rodent cognitive dimensions and behavior features using specialized test systems, such as the Morris Water Maze and the Open Field, which are located at the Laboratory of Radiation Biology. To automate videodata analysis, a web service prototype for the Morris Water Maze behavioral test was developed. It is designed to generate datasets needed for the classification of motion trajectories of rodents (search strategy). The developed web service enables to monitor the correctness of generated trajectories and form a dataset in different representations. Based on computer vision methods, a tracking algorithm for rodents was proposed in the Morris Water Maze test system. Using a convolution neural network, preliminary results related to the trajectory classification were obtained. The results demonstrate the necessity of both the extension of the training sample and the representation of trajectories with characteristic marks. A web service prototype for the Open Field behavioral test was developed. It allows one to solve the rodent tracking problem, to build a heat map, to count the sectors covered and present common analysis for users. All investigations are performed with the help of the ML/DL/HPC ecosystem of the HybriLIT heterogeneous computing platform. __“Водный лабиринт Морриса” и “Открытое поле”: разработка прототипов веб-сервисов для автоматизации анализа видеоданных поведенческих тестов__ В рамках совместного проекта ЛИТ им. М.Г. Мещерякова и ЛРБ ОИЯИ развивается Информационная система BIOHLIT, предназначенная для автоматизации анализа данных экспериментов, в которых исследуется влияние ионизирующего излучения на лабораторных животных. Одна из составляющих проводимых исследований связана с изучением различных когнитивных изменений и особенностей поведения грызунов с использованием специализированных тест-систем, таких как «Водный лабиринт Морриса», «Открытое поле» и других установок, которыми оснащена специальная лабораторная комната ЛРБ. Для автоматизации анализа видеоданных был разработан прототип веб-сервиса для поведенческого теста «Водный лабиринт Морриса», предназначенный для формирования набора данных (dataset) для задачи классификации траекторий движений лабораторных животных (стратегии поиска). Функционал сервиса позволяет на видео отслеживать правильность формируемой траектории и в разных представлениях формировать набор данных. Разработан алгоритм трекинга лабораторного животного в поведенческом тесте «Водный лабиринт Морриса» на базе методов компьютерного зрения. Получены предварительные результаты по классификации траекторий на базе сверточной нейронной сети, которые показали необходимость как расширения обучающей выборки, так и представления траекторий с характерными метками. Разработан прототип веб-сервиса для поведенческого теста «Открытое поле», функционал которого позволяет решать задачу трекинга лабораторного животного, строить тепловую карту, подсчитывать пройденные сектора и предоставлять пользователю сводную аналитику. Разработка проводится на базе экосистемы ML/DL/HPC Гетерогенной вычислительной платформы HybriLIT.