Water chemistry at Hontomín-Huermeces (Burgos, Spain): insights for a pre-, intra- and post-CO2 injection geochemical monitoring.

In this study, the very first geochemical and isotopic data related to surface and spring waters and dissolved gases in the area of Hontomín-Huermeces (Burgos, Spain) are presented and discussed. Hontomín-Huermeces was selected as a pilot site for the injection of pure (>99 %) CO2. Injection and monitoring wells are planned to be drilled close to 6 oil wells completed in the 1980’s. Stratigraphical logs indicate the presence of a confined saline aquifer at the depth of about 1,500 m into which less than 100,000 tons of liquid CO2 will be injected, possibly starting in 2013. The chemical and isotopic features of the spring waters suggest the occurrence of a shallow aquifer having a Ca2+(Mg2+)-HCO3- composition, relatively low salinity (Total Dissolved Solids _800 mg/L) and a meteoric isotopic signature. Some spring waters close to the oil wells are characterized by relatively high concentrations of NO3- (up to 123 mg/L), unequivocally indicating anthropogenic contamination that adds to the main water-rock interaction processes. The latter can be referred to Ca-Mg-carbonate and, at a minor extent, Al-silicate dissolution, being the outcropping sedimentary rocks characterized by Palaeozoic to Quaternary rocks. Anomalous concentrations of Cl-, SO42-, As, B and Ba were measured in two springs discharging a few hundreds meters from the oil wells and in the Rio Ubierna, possibly indicative of mixing processes, although at very low extent, between deep and shallow aquifers. Gases dissolved in spring waters show relatively high concentrations of atmospheric species, such as N2, O2 and Ar, and isotopically negative CO2 (<-17.7 h V-PDB), likely related to a biogenic source, possibly masking any contribution related to a deep source. The geochemical and isotopic data of this study are of particular importance when a monitoring program will be established to verify whether CO2 leakages, induced by the injection of this greenhouse gas, may affect the quality of the waters of the shallow Hontomín-Huermeces hydrological circuit. In this respect, carbonate chemistry, the isotopic carbon of dissolved CO2 and TDIC (Total Dissolved Inorganic Carbon) and selected trace elements can be considered as useful parameters to trace the migration of the injected CO2 into near-surface environments.

Ion-temperature-sensitive effect in transient langmuir probe response

A theory is presented for a method, recently proposed by Hester and Sonin, of determining the ion temperature in a plasma by measuring the transient current to a cylindrical Langmuir probe after applying a potential Vp{ — eVpy>KTe) under conditions where collection is collision free and the ratio of probe radius to Debye length is small. The ion component of the current does not approach its final steady-state value monotonicalfy, but exhibits a strong, ion-temperature-dependent overshoot in the first few ion-plasma periods following the biasing of the probe. Analytical formulas are derived for the case of a Maxwellian plasma, and convenient graphical results are presented. The possible masking of the overshoot by a transient displacement current is discussed; it is shown how to avoid such displacement effects. For the overshoot to be sensitive to the ion temperature T the probe must be near plasma (zero) potential before applying V1,(eVp~<0.lKTe, VP~ being that initial potential); this is not a drawback of the method, but, on the contrary, it can be used to accurately determine plasma potential along with T.

Mejoras en el procesamiento de imágenes de TC para el tratamiento con radioterapia adaptativa del cáncer de próstata

El cáncer de próstata es el tipo de cáncer con mayor prevalencia entre los hombres del mundo occidental y, pese a tener una alta tasa de supervivencia relativa, es la segunda mayor causa de muerte por cáncer en este sector de la población. El tratamiento de elección frente al cáncer de próstata es, en la mayoría de los casos, la radioterapia externa. Las técnicas más modernas de radioterapia externa, como la radioterapia modulada en intensidad, permiten incrementar la dosis en el tumor mientras se reduce la dosis en el tejido sano. Sin embargo, la localización del volumen objetivo varía con el día de tratamiento, y se requieren movimientos muy pequeños de los órganos para sacar partes del volumen objetivo fuera de la región terapéutica, o para introducir tejidos sanos críticos dentro. Para evitar esto se han desarrollado técnicas más avanzadas, como la radioterapia guiada por imagen, que se define por un manejo más preciso de los movimientos internos mediante una adaptación de la planificación del tratamiento basada en la información anatómica obtenida de imágenes de tomografía computarizada (TC) previas a la sesión terapéutica. Además, la radioterapia adaptativa añade la información dosimétrica de las fracciones previas a la información anatómica. Uno de los fundamentos de la radioterapia adaptativa es el registro deformable de imágenes, de gran utilidad a la hora de modelar los desplazamientos y deformaciones de los órganos internos. Sin embargo, su utilización conlleva nuevos retos científico-tecnológicos en el procesamiento de imágenes, principalmente asociados a la variabilidad de los órganos, tanto en localización como en apariencia. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar los procesos clínicos de delineación automática de contornos y de cálculo de dosis acumulada para la planificación y monitorización de tratamientos con radioterapia adaptativa, a partir de nuevos métodos de procesamiento de imágenes de TC (1) en presencia de contrastes variables, y (2) cambios de apariencia del recto. Además, se pretende (3) proveer de herramientas para la evaluación de la calidad de los contornos obtenidos en el caso del gross tumor volumen (GTV). Las principales contribuciones de esta tesis doctoral son las siguientes: _ 1. La adaptación, implementación y evaluación de un algoritmo de registro basado en el flujo óptico de la fase de la imagen como herramienta para el cálculo de transformaciones no-rígidas en presencia de cambios de intensidad, y su aplicabilidad a tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata con uso de agentes de contraste radiológico. Los resultados demuestran que el algoritmo seleccionado presenta mejores resultados cualitativos en presencia de contraste radiológico en la vejiga, y no distorsiona la imagen forzando deformaciones poco realistas. 2. La definición, desarrollo y validación de un nuevo método de enmascaramiento de los contenidos del recto (MER), y la evaluación de su influencia en el procedimiento de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Las segmentaciones obtenidas mediante el MER para la creación de máscaras homogéneas en las imágenes de sesión permiten mejorar sensiblemente los resultados de los algoritmos de registro en la región rectal. Así, el uso de la metodología propuesta incrementa el índice de volumen solapado entre los contornos manuales y automáticos del recto hasta un valor del 89%, cercano a los resultados obtenidos usando máscaras manuales para el registro de las dos imágenes. De esta manera se pueden corregir tanto el cálculo de los nuevos contornos como el cálculo de la dosis acumulada. 3. La definición de una metodología de evaluación de la calidad de los contornos del GTV, que permite la representación de la distribución espacial del error, adaptándola a volúmenes no-convexos como el formado por la próstata y las vesículas seminales. Dicha metodología de evaluación, basada en un nuevo algoritmo de reconstrucción tridimensional y una nueva métrica de cuantificación, presenta resultados precisos con una gran resolución espacial en un tiempo despreciable frente al tiempo de registro. Esta nueva metodología puede ser una herramienta útil para la comparación de distintos algoritmos de registro deformable orientados a la radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. En conclusión, el trabajo realizado en esta tesis doctoral corrobora las hipótesis de investigación postuladas, y pretende servir como cimiento de futuros avances en el procesamiento de imagen médica en los tratamientos de radioterapia adaptativa en cáncer de próstata. Asimismo, se siguen abriendo nuevas líneas de aplicación futura de métodos de procesamiento de imágenes médicas con el fin de mejorar los procesos de radioterapia adaptativa en presencia de cambios de apariencia de los órganos, e incrementar la seguridad del paciente. I.2 Inglés Prostate cancer is the most prevalent cancer amongst men in the Western world and, despite having a relatively high survival rate, is the second leading cause of cancer death in this sector of the population. The treatment of choice against prostate cancer is, in most cases, external beam radiation therapy. The most modern techniques of external radiotherapy, as intensity modulated radiotherapy, allow increasing the dose to the tumor whilst reducing the dose to healthy tissue. However, the location of the target volume varies with the day of treatment, and very small movements of the organs are required to pull out parts of the target volume outside the therapeutic region, or to introduce critical healthy tissues inside. Advanced techniques, such as the image-guided radiotherapy (IGRT), have been developed to avoid this. IGRT is defined by more precise handling of internal movements by adapting treatment planning based on the anatomical information obtained from computed tomography (CT) images prior to the therapy session. Moreover, the adaptive radiotherapy adds dosimetric information of previous fractions to the anatomical information. One of the fundamentals of adaptive radiotherapy is deformable image registration, very useful when modeling the displacements and deformations of the internal organs. However, its use brings new scientific and technological challenges in image processing, mainly associated to the variability of the organs, both in location and appearance. The aim of this thesis is to improve clinical processes of automatic contour delineation and cumulative dose calculation for planning and monitoring of adaptive radiotherapy treatments, based on new methods of CT image processing (1) in the presence of varying contrasts, and (2) rectum appearance changes. It also aims (3) to provide tools for assessing the quality of contours obtained in the case of gross tumor volume (GTV). The main contributions of this PhD thesis are as follows: 1. The adaptation, implementation and evaluation of a registration algorithm based on the optical flow of the image phase as a tool for the calculation of non-rigid transformations in the presence of intensity changes, and its applicability to adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer with use of radiological contrast agents. The results demonstrate that the selected algorithm shows better qualitative results in the presence of radiological contrast agents in the urinary bladder, and does not distort the image forcing unrealistic deformations. 2. The definition, development and validation of a new method for masking the contents of the rectum (MER, Spanish acronym), and assessing their impact on the process of adaptive radiotherapy in prostate cancer. The segmentations obtained by the MER for the creation of homogenous masks in the session CT images can improve significantly the results of registration algorithms in the rectal region. Thus, the use of the proposed methodology increases the volume overlap index between manual and automatic contours of the rectum to a value of 89%, close to the results obtained using manual masks for both images. In this way, both the calculation of new contours and the calculation of the accumulated dose can be corrected. 3. The definition of a methodology for assessing the quality of the contours of the GTV, which allows the representation of the spatial distribution of the error, adapting it to non-convex volumes such as that formed by the prostate and seminal vesicles. Said evaluation methodology, based on a new three-dimensional reconstruction algorithm and a new quantification metric, presents accurate results with high spatial resolution in a time negligible compared to the registration time. This new approach may be a useful tool to compare different deformable registration algorithms oriented to adaptive radiotherapy in prostate cancer In conclusion, this PhD thesis corroborates the postulated research hypotheses, and is intended to serve as a foundation for future advances in medical image processing in adaptive radiotherapy treatment in prostate cancer. In addition, it opens new future applications for medical image processing methods aimed at improving the adaptive radiotherapy processes in the presence of organ’s appearance changes, and increase the patient safety.

Secure transmission of information by digital chaotic signals

Protecting signals is one of the main tasks in information transmission. A large number of different methods have been employed since many centuries ago. Most of them have been based on the use of certain signal added to the original one. When the composed signal is received, if the added signal is known, the initial information may be obtained. The main problem is the type of masking signal employed. One possibility is the use of chaotic signals, but they have a first strong limitation: the need to synchronize emitter and receiver. Optical communications systems, based on chaotic signals, have been proposed in a large number of papers. Moreover, because most of the communication systems are digital and conventional chaos generators are analogue, a conversion analogue-digital is needed. In this paper we will report a new system where the digital chaos is obtained from an optically programmable logic structure. This structure has been employed by the authors in optical computing and some previous results in chaotic signals have been reported. The main advantage of this new system is that an analogue-digital conversion is not needed. Previous works by the authors employed Self-Electrooptical Effect Devices but in this case more conventional structures, as semiconductor laser amplifiers, have been employed. The way to analyze the characteristics of digital chaotic signals will be reported as well as the method to synchronize the chaos generators located in the emitter and in the receiver.

Side-Channel Attack Protection Techniques in FPGA Systems using Enhanced Dual-Rail Solutions

Esta tesis doctoral se centra principalmente en técnicas de ataque y contramedidas relacionadas con ataques de canal lateral (SCA por sus siglas en inglés), que han sido propuestas dentro del campo de investigación académica desde hace 17 años. Las investigaciones relacionadas han experimentado un notable crecimiento en las últimas décadas, mientras que los diseños enfocados en la protección sólida y eficaz contra dichos ataques aún se mantienen como un tema de investigación abierto, en el que se necesitan iniciativas más confiables para la protección de la información persona de empresa y de datos nacionales. El primer uso documentado de codificación secreta se remonta a alrededor de 1700 B.C., cuando los jeroglíficos del antiguo Egipto eran descritos en las inscripciones. La seguridad de la información siempre ha supuesto un factor clave en la transmisión de datos relacionados con inteligencia diplomática o militar. Debido a la evolución rápida de las técnicas modernas de comunicación, soluciones de cifrado se incorporaron por primera vez para garantizar la seguridad, integridad y confidencialidad de los contextos de transmisión a través de cables sin seguridad o medios inalámbricos. Debido a las restricciones de potencia de cálculo antes de la era del ordenador, la técnica de cifrado simple era un método más que suficiente para ocultar la información. Sin embargo, algunas vulnerabilidades algorítmicas pueden ser explotadas para restaurar la regla de codificación sin mucho esfuerzo. Esto ha motivado nuevas investigaciones en el área de la criptografía, con el fin de proteger el sistema de información ante sofisticados algoritmos. Con la invención de los ordenadores se ha acelerado en gran medida la implementación de criptografía segura, que ofrece resistencia eficiente encaminada a obtener mayores capacidades de computación altamente reforzadas. Igualmente, sofisticados cripto-análisis han impulsado las tecnologías de computación. Hoy en día, el mundo de la información ha estado involucrado con el campo de la criptografía, enfocada a proteger cualquier campo a través de diversas soluciones de cifrado. Estos enfoques se han fortalecido debido a la unificación optimizada de teorías matemáticas modernas y prácticas eficaces de hardware, siendo posible su implementación en varias plataformas (microprocesador, ASIC, FPGA, etc.). Las necesidades y requisitos de seguridad en la industria son las principales métricas de conducción en el diseño electrónico, con el objetivo de promover la fabricación de productos de gran alcance sin sacrificar la seguridad de los clientes. Sin embargo, una vulnerabilidad en la implementación práctica encontrada por el Prof. Paul Kocher, et al en 1996 implica que un circuito digital es inherentemente vulnerable a un ataque no convencional, lo cual fue nombrado posteriormente como ataque de canal lateral, debido a su fuente de análisis. Sin embargo, algunas críticas sobre los algoritmos criptográficos teóricamente seguros surgieron casi inmediatamente después de este descubrimiento. En este sentido, los circuitos digitales consisten típicamente en un gran número de celdas lógicas fundamentales (como MOS - Metal Oxide Semiconductor), construido sobre un sustrato de silicio durante la fabricación. La lógica de los circuitos se realiza en función de las innumerables conmutaciones de estas células. Este mecanismo provoca inevitablemente cierta emanación física especial que puede ser medida y correlacionada con el comportamiento interno del circuito. SCA se puede utilizar para revelar datos confidenciales (por ejemplo, la criptografía de claves), analizar la arquitectura lógica, el tiempo e incluso inyectar fallos malintencionados a los circuitos que se implementan en sistemas embebidos, como FPGAs, ASICs, o tarjetas inteligentes. Mediante el uso de la comparación de correlación entre la cantidad de fuga estimada y las fugas medidas de forma real, información confidencial puede ser reconstruida en mucho menos tiempo y computación. Para ser precisos, SCA básicamente cubre una amplia gama de tipos de ataques, como los análisis de consumo de energía y radiación ElectroMagnética (EM). Ambos se basan en análisis estadístico y, por lo tanto, requieren numerosas muestras. Los algoritmos de cifrado no están intrínsecamente preparados para ser resistentes ante SCA. Es por ello que se hace necesario durante la implementación de circuitos integrar medidas que permitan camuflar las fugas a través de "canales laterales". Las medidas contra SCA están evolucionando junto con el desarrollo de nuevas técnicas de ataque, así como la continua mejora de los dispositivos electrónicos. Las características físicas requieren contramedidas sobre la capa física, que generalmente se pueden clasificar en soluciones intrínsecas y extrínsecas. Contramedidas extrínsecas se ejecutan para confundir la fuente de ataque mediante la integración de ruido o mala alineación de la actividad interna. Comparativamente, las contramedidas intrínsecas están integradas en el propio algoritmo, para modificar la aplicación con el fin de minimizar las fugas medibles, o incluso hacer que dichas fugas no puedan ser medibles. Ocultación y Enmascaramiento son dos técnicas típicas incluidas en esta categoría. Concretamente, el enmascaramiento se aplica a nivel algorítmico, para alterar los datos intermedios sensibles con una máscara de manera reversible. A diferencia del enmascaramiento lineal, las operaciones no lineales que ampliamente existen en criptografías modernas son difíciles de enmascarar. Dicho método de ocultación, que ha sido verificado como una solución efectiva, comprende principalmente la codificación en doble carril, que está ideado especialmente para aplanar o eliminar la fuga dependiente de dato en potencia o en EM. En esta tesis doctoral, además de la descripción de las metodologías de ataque, se han dedicado grandes esfuerzos sobre la estructura del prototipo de la lógica propuesta, con el fin de realizar investigaciones enfocadas a la seguridad sobre contramedidas de arquitectura a nivel lógico. Una característica de SCA reside en el formato de las fuentes de fugas. Un típico ataque de canal lateral se refiere al análisis basado en la potencia, donde la capacidad fundamental del transistor MOS y otras capacidades parásitas son las fuentes esenciales de fugas. Por lo tanto, una lógica robusta resistente a SCA debe eliminar o mitigar las fugas de estas micro-unidades, como las puertas lógicas básicas, los puertos I/O y las rutas. Las herramientas EDA proporcionadas por los vendedores manipulan la lógica desde un nivel más alto, en lugar de realizarlo desde el nivel de puerta, donde las fugas de canal lateral se manifiestan. Por lo tanto, las implementaciones clásicas apenas satisfacen estas necesidades e inevitablemente atrofian el prototipo. Por todo ello, la implementación de un esquema de diseño personalizado y flexible ha de ser tomado en cuenta. En esta tesis se presenta el diseño y la implementación de una lógica innovadora para contrarrestar SCA, en la que se abordan 3 aspectos fundamentales: I. Se basa en ocultar la estrategia sobre el circuito en doble carril a nivel de puerta para obtener dinámicamente el equilibrio de las fugas en las capas inferiores; II. Esta lógica explota las características de la arquitectura de las FPGAs, para reducir al mínimo el gasto de recursos en la implementación; III. Se apoya en un conjunto de herramientas asistentes personalizadas, incorporadas al flujo genérico de diseño sobre FPGAs, con el fin de manipular los circuitos de forma automática. El kit de herramientas de diseño automático es compatible con la lógica de doble carril propuesta, para facilitar la aplicación práctica sobre la familia de FPGA del fabricante Xilinx. En este sentido, la metodología y las herramientas son flexibles para ser extendido a una amplia gama de aplicaciones en las que se desean obtener restricciones mucho más rígidas y sofisticadas a nivel de puerta o rutado. En esta tesis se realiza un gran esfuerzo para facilitar el proceso de implementación y reparación de lógica de doble carril genérica. La viabilidad de las soluciones propuestas es validada mediante la selección de algoritmos criptográficos ampliamente utilizados, y su evaluación exhaustiva en comparación con soluciones anteriores. Todas las propuestas están respaldadas eficazmente a través de ataques experimentales con el fin de validar las ventajas de seguridad del sistema. El presente trabajo de investigación tiene la intención de cerrar la brecha entre las barreras de implementación y la aplicación efectiva de lógica de doble carril. En esencia, a lo largo de esta tesis se describirá un conjunto de herramientas de implementación para FPGAs que se han desarrollado para trabajar junto con el flujo de diseño genérico de las mismas, con el fin de lograr crear de forma innovadora la lógica de doble carril. Un nuevo enfoque en el ámbito de la seguridad en el cifrado se propone para obtener personalización, automatización y flexibilidad en el prototipo de circuito de bajo nivel con granularidad fina. Las principales contribuciones del presente trabajo de investigación se resumen brevemente a continuación: Lógica de Precharge Absorbed-DPL logic: El uso de la conversión de netlist para reservar LUTs libres para ejecutar la señal de precharge y Ex en una lógica DPL. Posicionamiento entrelazado Row-crossed con pares idénticos de rutado en redes de doble carril, lo que ayuda a aumentar la resistencia frente a la medición EM selectiva y mitigar los impactos de las variaciones de proceso. Ejecución personalizada y herramientas de conversión automática para la generación de redes idénticas para la lógica de doble carril propuesta. (a) Para detectar y reparar conflictos en las conexiones; (b) Detectar y reparar las rutas asimétricas. (c) Para ser utilizado en otras lógicas donde se requiere un control estricto de las interconexiones en aplicaciones basadas en Xilinx. Plataforma CPA de pruebas personalizadas para el análisis de EM y potencia, incluyendo la construcción de dicha plataforma, el método de medición y análisis de los ataques. Análisis de tiempos para cuantificar los niveles de seguridad. División de Seguridad en la conversión parcial de un sistema de cifrado complejo para reducir los costes de la protección. Prueba de concepto de un sistema de calefacción auto-adaptativo para mitigar los impactos eléctricos debido a la variación del proceso de silicio de manera dinámica. La presente tesis doctoral se encuentra organizada tal y como se detalla a continuación: En el capítulo 1 se abordan los fundamentos de los ataques de canal lateral, que abarca desde conceptos básicos de teoría de modelos de análisis, además de la implementación de la plataforma y la ejecución de los ataques. En el capítulo 2 se incluyen las estrategias de resistencia SCA contra los ataques de potencia diferencial y de EM. Además de ello, en este capítulo se propone una lógica en doble carril compacta y segura como contribución de gran relevancia, así como también se presentará la transformación lógica basada en un diseño a nivel de puerta. Por otra parte, en el Capítulo 3 se abordan los desafíos relacionados con la implementación de lógica en doble carril genérica. Así mismo, se describirá un flujo de diseño personalizado para resolver los problemas de aplicación junto con una herramienta de desarrollo automático de aplicaciones propuesta, para mitigar las barreras de diseño y facilitar los procesos. En el capítulo 4 se describe de forma detallada la elaboración e implementación de las herramientas propuestas. Por otra parte, la verificación y validaciones de seguridad de la lógica propuesta, así como un sofisticado experimento de verificación de la seguridad del rutado, se describen en el capítulo 5. Por último, un resumen de las conclusiones de la tesis y las perspectivas como líneas futuras se incluyen en el capítulo 6. Con el fin de profundizar en el contenido de la tesis doctoral, cada capítulo se describe de forma más detallada a continuación: En el capítulo 1 se introduce plataforma de implementación hardware además las teorías básicas de ataque de canal lateral, y contiene principalmente: (a) La arquitectura genérica y las características de la FPGA a utilizar, en particular la Xilinx Virtex-5; (b) El algoritmo de cifrado seleccionado (un módulo comercial Advanced Encryption Standard (AES)); (c) Los elementos esenciales de los métodos de canal lateral, que permiten revelar las fugas de disipación correlacionadas con los comportamientos internos; y el método para recuperar esta relación entre las fluctuaciones físicas en los rastros de canal lateral y los datos internos procesados; (d) Las configuraciones de las plataformas de pruebas de potencia / EM abarcadas dentro de la presente tesis. El contenido de esta tesis se amplia y profundiza a partir del capítulo 2, en el cual se abordan varios aspectos claves. En primer lugar, el principio de protección de la compensación dinámica de la lógica genérica de precarga de doble carril (Dual-rail Precharge Logic-DPL) se explica mediante la descripción de los elementos compensados a nivel de puerta. En segundo lugar, la lógica PA-DPL es propuesta como aportación original, detallando el protocolo de la lógica y un caso de aplicación. En tercer lugar, dos flujos de diseño personalizados se muestran para realizar la conversión de doble carril. Junto con ello, se aclaran las definiciones técnicas relacionadas con la manipulación por encima de la netlist a nivel de LUT. Finalmente, una breve discusión sobre el proceso global se aborda en la parte final del capítulo. El Capítulo 3 estudia los principales retos durante la implementación de DPLs en FPGAs. El nivel de seguridad de las soluciones de resistencia a SCA encontradas en el estado del arte se ha degenerado debido a las barreras de implantación a través de herramientas EDA convencionales. En el escenario de la arquitectura FPGA estudiada, se discuten los problemas de los formatos de doble carril, impactos parásitos, sesgo tecnológico y la viabilidad de implementación. De acuerdo con estas elaboraciones, se plantean dos problemas: Cómo implementar la lógica propuesta sin penalizar los niveles de seguridad, y cómo manipular un gran número de celdas y automatizar el proceso. El PA-DPL propuesto en el capítulo 2 se valida con una serie de iniciativas, desde características estructurales como doble carril entrelazado o redes de rutado clonadas, hasta los métodos de aplicación tales como las herramientas de personalización y automatización de EDA. Por otra parte, un sistema de calefacción auto-adaptativo es representado y aplicado a una lógica de doble núcleo, con el fin de ajustar alternativamente la temperatura local para equilibrar los impactos negativos de la variación del proceso durante la operación en tiempo real. El capítulo 4 se centra en los detalles de la implementación del kit de herramientas. Desarrollado sobre una API third-party, el kit de herramientas personalizado es capaz de manipular los elementos de la lógica de circuito post P&R ncd (una versión binaria ilegible del xdl) convertido al formato XDL Xilinx. El mecanismo y razón de ser del conjunto de instrumentos propuestos son cuidadosamente descritos, que cubre la detección de enrutamiento y los enfoques para la reparación. El conjunto de herramientas desarrollado tiene como objetivo lograr redes de enrutamiento estrictamente idénticos para la lógica de doble carril, tanto para posicionamiento separado como para el entrelazado. Este capítulo particularmente especifica las bases técnicas para apoyar las implementaciones en los dispositivos de Xilinx y su flexibilidad para ser utilizado sobre otras aplicaciones. El capítulo 5 se enfoca en la aplicación de los casos de estudio para la validación de los grados de seguridad de la lógica propuesta. Se discuten los problemas técnicos detallados durante la ejecución y algunas nuevas técnicas de implementación. (a) Se discute el impacto en el proceso de posicionamiento de la lógica utilizando el kit de herramientas propuesto. Diferentes esquemas de implementación, tomando en cuenta la optimización global en seguridad y coste, se verifican con los experimentos con el fin de encontrar los planes de posicionamiento y reparación optimizados; (b) las validaciones de seguridad se realizan con los métodos de correlación y análisis de tiempo; (c) Una táctica asintótica se aplica a un núcleo AES sobre BCDL estructurado para validar de forma sofisticada el impacto de enrutamiento sobre métricas de seguridad; (d) Los resultados preliminares utilizando el sistema de calefacción auto-adaptativa sobre la variación del proceso son mostrados; (e) Se introduce una aplicación práctica de las herramientas para un diseño de cifrado completa. Capítulo 6 incluye el resumen general del trabajo presentado dentro de esta tesis doctoral. Por último, una breve perspectiva del trabajo futuro se expone, lo que puede ampliar el potencial de utilización de las contribuciones de esta tesis a un alcance más allá de los dominios de la criptografía en FPGAs. ABSTRACT This PhD thesis mainly concentrates on countermeasure techniques related to the Side Channel Attack (SCA), which has been put forward to academic exploitations since 17 years ago. The related research has seen a remarkable growth in the past decades, while the design of solid and efficient protection still curiously remain as an open research topic where more reliable initiatives are required for personal information privacy, enterprise and national data protections. The earliest documented usage of secret code can be traced back to around 1700 B.C., when the hieroglyphs in ancient Egypt are scribed in inscriptions. Information security always gained serious attention from diplomatic or military intelligence transmission. Due to the rapid evolvement of modern communication technique, crypto solution was first incorporated by electronic signal to ensure the confidentiality, integrity, availability, authenticity and non-repudiation of the transmitted contexts over unsecure cable or wireless channels. Restricted to the computation power before computer era, simple encryption tricks were practically sufficient to conceal information. However, algorithmic vulnerabilities can be excavated to restore the encoding rules with affordable efforts. This fact motivated the development of modern cryptography, aiming at guarding information system by complex and advanced algorithms. The appearance of computers has greatly pushed forward the invention of robust cryptographies, which efficiently offers resistance relying on highly strengthened computing capabilities. Likewise, advanced cryptanalysis has greatly driven the computing technologies in turn. Nowadays, the information world has been involved into a crypto world, protecting any fields by pervasive crypto solutions. These approaches are strong because of the optimized mergence between modern mathematical theories and effective hardware practices, being capable of implement crypto theories into various platforms (microprocessor, ASIC, FPGA, etc). Security needs from industries are actually the major driving metrics in electronic design, aiming at promoting the construction of systems with high performance without sacrificing security. Yet a vulnerability in practical implementation found by Prof. Paul Kocher, et al in 1996 implies that modern digital circuits are inherently vulnerable to an unconventional attack approach, which was named as side-channel attack since then from its analysis source. Critical suspicions to theoretically sound modern crypto algorithms surfaced almost immediately after this discovery. To be specifically, digital circuits typically consist of a great number of essential logic elements (as MOS - Metal Oxide Semiconductor), built upon a silicon substrate during the fabrication. Circuit logic is realized relying on the countless switch actions of these cells. This mechanism inevitably results in featured physical emanation that can be properly measured and correlated with internal circuit behaviors. SCAs can be used to reveal the confidential data (e.g. crypto-key), analyze the logic architecture, timing and even inject malicious faults to the circuits that are implemented in hardware system, like FPGA, ASIC, smart Card. Using various comparison solutions between the predicted leakage quantity and the measured leakage, secrets can be reconstructed at much less expense of time and computation. To be precisely, SCA basically encloses a wide range of attack types, typically as the analyses of power consumption or electromagnetic (EM) radiation. Both of them rely on statistical analyses, and hence require a number of samples. The crypto algorithms are not intrinsically fortified with SCA-resistance. Because of the severity, much attention has to be taken into the implementation so as to assemble countermeasures to camouflage the leakages via "side channels". Countermeasures against SCA are evolving along with the development of attack techniques. The physical characteristics requires countermeasures over physical layer, which can be generally classified into intrinsic and extrinsic vectors. Extrinsic countermeasures are executed to confuse the attacker by integrating noise, misalignment to the intra activities. Comparatively, intrinsic countermeasures are built into the algorithm itself, to modify the implementation for minimizing the measurable leakage, or making them not sensitive any more. Hiding and Masking are two typical techniques in this category. Concretely, masking applies to the algorithmic level, to alter the sensitive intermediate values with a mask in reversible ways. Unlike the linear masking, non-linear operations that widely exist in modern cryptographies are difficult to be masked. Approved to be an effective counter solution, hiding method mainly mentions dual-rail logic, which is specially devised for flattening or removing the data-dependent leakage in power or EM signatures. In this thesis, apart from the context describing the attack methodologies, efforts have also been dedicated to logic prototype, to mount extensive security investigations to countermeasures on logic-level. A characteristic of SCA resides on the format of leak sources. Typical side-channel attack concerns the power based analysis, where the fundamental capacitance from MOS transistors and other parasitic capacitances are the essential leak sources. Hence, a robust SCA-resistant logic must eliminate or mitigate the leakages from these micro units, such as basic logic gates, I/O ports and routings. The vendor provided EDA tools manipulate the logic from a higher behavioral-level, rather than the lower gate-level where side-channel leakage is generated. So, the classical implementations barely satisfy these needs and inevitably stunt the prototype. In this case, a customized and flexible design scheme is appealing to be devised. This thesis profiles an innovative logic style to counter SCA, which mainly addresses three major aspects: I. The proposed logic is based on the hiding strategy over gate-level dual-rail style to dynamically overbalance side-channel leakage from lower circuit layer; II. This logic exploits architectural features of modern FPGAs, to minimize the implementation expenses; III. It is supported by a set of assistant custom tools, incorporated by the generic FPGA design flow, to have circuit manipulations in an automatic manner. The automatic design toolkit supports the proposed dual-rail logic, facilitating the practical implementation on Xilinx FPGA families. While the methodologies and the tools are flexible to be expanded to a wide range of applications where rigid and sophisticated gate- or routing- constraints are desired. In this thesis a great effort is done to streamline the implementation workflow of generic dual-rail logic. The feasibility of the proposed solutions is validated by selected and widely used crypto algorithm, for thorough and fair evaluation w.r.t. prior solutions. All the proposals are effectively verified by security experiments. The presented research work attempts to solve the implementation troubles. The essence that will be formalized along this thesis is that a customized execution toolkit for modern FPGA systems is developed to work together with the generic FPGA design flow for creating innovative dual-rail logic. A method in crypto security area is constructed to obtain customization, automation and flexibility in low-level circuit prototype with fine-granularity in intractable routings. Main contributions of the presented work are summarized next: Precharge Absorbed-DPL logic: Using the netlist conversion to reserve free LUT inputs to execute the Precharge and Ex signal in a dual-rail logic style. A row-crossed interleaved placement method with identical routing pairs in dual-rail networks, which helps to increase the resistance against selective EM measurement and mitigate the impacts from process variations. Customized execution and automatic transformation tools for producing identical networks for the proposed dual-rail logic. (a) To detect and repair the conflict nets; (b) To detect and repair the asymmetric nets. (c) To be used in other logics where strict network control is required in Xilinx scenario. Customized correlation analysis testbed for EM and power attacks, including the platform construction, measurement method and attack analysis. A timing analysis based method for quantifying the security grades. A methodology of security partitions of complex crypto systems for reducing the protection cost. A proof-of-concept self-adaptive heating system to mitigate electrical impacts over process variations in dynamic dual-rail compensation manner. The thesis chapters are organized as follows: Chapter 1 discusses the side-channel attack fundamentals, which covers from theoretic basics to analysis models, and further to platform setup and attack execution. Chapter 2 centers to SCA-resistant strategies against generic power and EM attacks. In this chapter, a major contribution, a compact and secure dual-rail logic style, will be originally proposed. The logic transformation based on bottom-layer design will be presented. Chapter 3 is scheduled to elaborate the implementation challenges of generic dual-rail styles. A customized design flow to solve the implementation problems will be described along with a self-developed automatic implementation toolkit, for mitigating the design barriers and facilitating the processes. Chapter 4 will originally elaborate the tool specifics and construction details. The implementation case studies and security validations for the proposed logic style, as well as a sophisticated routing verification experiment, will be described in Chapter 5. Finally, a summary of thesis conclusions and perspectives for future work are included in Chapter 5. To better exhibit the thesis contents, each chapter is further described next: Chapter 1 provides the introduction of hardware implementation testbed and side-channel attack fundamentals, and mainly contains: (a) The FPGA generic architecture and device features, particularly of Virtex-5 FPGA; (b) The selected crypto algorithm - a commercially and extensively used Advanced Encryption Standard (AES) module - is detailed; (c) The essentials of Side-Channel methods are profiled. It reveals the correlated dissipation leakage to the internal behaviors, and the method to recover this relationship between the physical fluctuations in side-channel traces and the intra processed data; (d) The setups of the power/EM testing platforms enclosed inside the thesis work are given. The content of this thesis is expanded and deepened from chapter 2, which is divided into several aspects. First, the protection principle of dynamic compensation of the generic dual-rail precharge logic is explained by describing the compensated gate-level elements. Second, the novel DPL is originally proposed by detailing the logic protocol and an implementation case study. Third, a couple of custom workflows are shown next for realizing the rail conversion. Meanwhile, the technical definitions that are about to be manipulated above LUT-level netlist are clarified. A brief discussion about the batched process is given in the final part. Chapter 3 studies the implementation challenges of DPLs in FPGAs. The security level of state-of-the-art SCA-resistant solutions are decreased due to the implementation barriers using conventional EDA tools. In the studied FPGA scenario, problems are discussed from dual-rail format, parasitic impact, technological bias and implementation feasibility. According to these elaborations, two problems arise: How to implement the proposed logic without crippling the security level; and How to manipulate a large number of cells and automate the transformation. The proposed PA-DPL in chapter 2 is legalized with a series of initiatives, from structures to implementation methods. Furthermore, a self-adaptive heating system is depicted and implemented to a dual-core logic, assumed to alternatively adjust local temperature for balancing the negative impacts from silicon technological biases on real-time. Chapter 4 centers to the toolkit system. Built upon a third-party Application Program Interface (API) library, the customized toolkit is able to manipulate the logic elements from post P&R circuit (an unreadable binary version of the xdl one) converted to Xilinx xdl format. The mechanism and rationale of the proposed toolkit are carefully convoyed, covering the routing detection and repairing approaches. The developed toolkit aims to achieve very strictly identical routing networks for dual-rail logic both for separate and interleaved placement. This chapter particularly specifies the technical essentials to support the implementations in Xilinx devices and the flexibility to be expanded to other applications. Chapter 5 focuses on the implementation of the case studies for validating the security grades of the proposed logic style from the proposed toolkit. Comprehensive implementation techniques are discussed. (a) The placement impacts using the proposed toolkit are discussed. Different execution schemes, considering the global optimization in security and cost, are verified with experiments so as to find the optimized placement and repair schemes; (b) Security validations are realized with correlation, timing methods; (c) A systematic method is applied to a BCDL structured module to validate the routing impact over security metric; (d) The preliminary results using the self-adaptive heating system over process variation is given; (e) A practical implementation of the proposed toolkit to a large design is introduced. Chapter 6 includes the general summary of the complete work presented inside this thesis. Finally, a brief perspective for the future work is drawn which might expand the potential utilization of the thesis contributions to a wider range of implementation domains beyond cryptography on FPGAs.

Explointing FPGA block memories for protected cryptographic implementations

Modern Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are power packed with features to facilitate designers. Availability of features like huge block memory (BRAM), Digital Signal Processing (DSP) cores, embedded CPU makes the design strategy of FPGAs quite different from ASICs. FPGA are also widely used in security-critical application where protection against known attacks is of prime importance. We focus ourselves on physical attacks which target physical implementations. To design countermeasures against such attacks, the strategy for FPGA designers should also be different from that in ASIC. The available features should be exploited to design compact and strong countermeasures. In this paper, we propose methods to exploit the BRAMs in FPGAs for designing compact countermeasures. BRAM can be used to optimize intrinsic countermeasures like masking and dual-rail logic, which otherwise have significant overhead (at least 2X). The optimizations are applied on a real AES-128 co-processor and tested for area overhead and resistance on Xilinx Virtex-5 chips. The presented masking countermeasure has an overhead of only 16% when applied on AES. Moreover Dual-rail Precharge Logic (DPL) countermeasure has been optimized to pack the whole sequential part in the BRAM, hence enhancing the security. Proper robustness evaluations are conducted to analyze the optimization for area and security.

STONE: a stream-based DDoS defense framework

An effective Distributed Denial of Service (DDoS) defense mechanism must guarantee legitimate users access to an Internet service masking the effects of possible attacks. That is, it must be able to detect threats and discard malicious packets in a online fashion. Given that emerging data streaming technology can enable such mitigation in an effective manner, in this paper we present STONE, a stream-based DDoS defense framework, which integrates anomaly-based DDoS detection and mitigation with scalable data streaming technology. With STONE, the traffic of potential targets is analyzed via continuous data streaming queries maintaining information used for both attack detection and mitigation. STONE provides minimal degradation of legitimate users traffic during DDoS attacks and it also faces effectively flash crowds. Our preliminary evaluation based on an implemented prototype and conducted with real legitimate and malicious traffic traces shows that STONE is able to provide fast detection and precise mitigation of DDoS attacks leveraging scalable data streaming technology.

El vidrio y sus máscaras : el sueño de la arquitectura de cristal

Según Heidegger, la esencia de la arquitectura, de la construcción, descansa en un no espacio: en la materia con que se construyen las fronteras que otorgan espacios, irradiando sobre ellos aquello que los caracteriza. Si hay alguna materia, de las utilizadas por la arquitectura a lo largo de su historia para construir fronteras, que haya mantenido una especial relación con la luz y la visión, dando un carácter inconfundible a los espacios aviados por ellas, esta es el vidrio; algunas de las etimologías de su nombre: zakû (ser claro), hyalos (diáfano) o vitrum (ver), así lo evidencian. Posiblemente, sea la pregnancia de este modo fascinante de relacionarse con la luz, la que ha hecho del vidrio, a lo largo del tiempo que lleva siendo usado en arquitectura, y aún antes, el material que ha provocado en el imaginario humano la ilusión de ser aquel en que, en último término, podrían llegar a sublimarse todos los demás, dando lugar con ello a lo que en la tesis hemos denominado el sueño de la arquitectura de cristal. Siendo la luz, siempre, energía, consideraremos en la tesis luz-energía, a aquella que ilumina y calienta; es una luz científica y mesurable. Cuando la luz se “hace visible”, desvelando un mensaje “contenido” en el vidrio, hablaremos de luz-información. Esta luz, no puede medirse científicamente. La luz-energía y la luz-información, se manifiestan al conjuro de la arquitectura de vidrio. Es la segunda la que ha conformado las fronteras de vidrio enmascarado, y la que se estudia con más detenimiento en la tesis. Los distintos modos de usar en arquitectura la infinita combinatoria de las propiedades de absortancia, reflectancia, transmitancia y translucencia del vidrio, ha condicionado al hombre en su manera de “ver” el mundo. Unas veces, “inmerso” en él, puesto que solo lo separa del mismo, una frontera transparente, y “deseadamente” invisible: ese modo de usar el vidrio, ha sido el sueño imposible de una parte importante de la arquitectura del siglo XX. Otras veces, para “aislarse” de él, el hombre ha manipulado la luz y el vidrio para construir mundos diferentes. Las fronteras de vidrio enmascarado de color, mosaicos, vidrieras, pantallas y lo que hemos llamado vidrios complejos (con un cometido similar al que Schiller atribuía al coro en la tragedia griega, aislar a esta del “mundo real”, para mantener su libertad poética), son las fronteras que han construido el sueño posible de la arquitectura de cristal. Ambas actitudes, en distintos momentos de la historia de la arquitectura, han sido dos formas de querer materializar un mismo sueño. La capacidad del vidrio para adaptarse a tantos modos de presentarse ante nosotros, y a poder ser interpretado de tantas formas diferentes, es la que ha servido para dar título a la tesis, pues hasta en su faceta más transparente, el vidrio, de una forma o de otra, se ha mostrado siempre como un material enmascarado en el más amplio sentido de la palabra: se enmascara, incluso cuando apela a la transparencia o se convierte en espejo, para hacernos caer en la ilusión de que no está presente. Cuando el hombre construyó fronteras de vidrio e incluso antes, cuando soñó que con él podría llegar a construirlas, condensó en ellas toda la mítica, la mística y la epistemología en torno a la luz y la visión, dando lugar a una serie de arquetipos arquitectónicos. En la iglesia bizantina, la luz sobre, o la luz desde, los mosaicos, construyó una frontera titilante; y en la catedral gótica, la luz a través de las vidrieras construyó una frontera radiante; en ambos casos con el fin de alcanzar anagógicamente lo Inteligible. En el siglo XIX, con el descubrimiento de la electricidad y su incorporación a la arquitectura, las fronteras se vuelven fulgurantes, aviando, en este caso, el espacio urbano. Poco antes, en este mismo siglo, el espíritu del gótico tiene un efímero resurgir del que se nutrirá, a comienzos del siglo XX, el expresionismo cristalino, en el que la luz anagógica se hace laica. El espacio urbano fulgurante prefigurado por este movimiento y presente en las ciudades desde principios del siglo XX, fue potenciado a mediados de ese siglo con la aparición de las pantallas, extendiéndose desde entonces, imparable, por todo el planeta. La reciente emergencia de los vidrios complejos, ha abierto la posibilidad de construir fronteras a la carta (de vidrios de propiedades múltiples, seleccionadas de forma voluntaria y variable en cada momento). En principio, se pensó que, el uso de estos vidrios como cerramiento, podría llegar a constituirse como la panacea de los problemas del material relacionados con la luz-energía, sin necesidad de recurrir a “prótesis”, y manteniendo por tanto la seductora tersura de la fachada; aunque parece que, por ahora, esa posibilidad es, cuando menos, lejana. Sin embargo, en el campo de las megapantallas urbanas (y ,en general, en el de las pantallas de información), ubicuas actualmente en nuestras vidas, los vidrios complejos ayudan a construir los espesos velos de ilusión, que según Lefebvre sirven para mantener el capitalismo, siendo el último estadio de un desarrollo tecnológico, impuesto por el principio de economía del hombre, que como un metrónomo inexorable, y a modo de contrapunto, ha acompañado siempre (de nuevo en palabras de Lefebvre), a la necesidad del gasto, del juego, de la lucha, del arte, de la fiesta. La tecnología y el arte forman parte de la cultura producida por la sociedad y como señala Lévi-Strauss, esa cultura imprime orden; por el contrario, la sociedad, entendida como el conjunto de relaciones que los hombres mantienen entre sí, produce desorden. Del equilibrio entre esos extremos, surge el progreso, incluido el de la arquitectura. Las fronteras de vidrio que analizamos en la tesis –que avían espacios para la espiritualidad, el fasto y el espectáculo o, desde otro punto de vista, para las distintas manifestaciones del poder: la iglesia, la monarquía, el estado o el mercado– también han surgido de esa concomitancia entre el desorden y el orden; y forma parte de ese desorden, la aventura que ha impulsado al genio individual de místicos, alquimistas, geómetras, abades, reyes, inventores, poetas y arquitectos, a explorar, como escribe Apollinaire, vastos y extraños territorios donde el misterio en flor, se ofrece a quien quiera cogerlo, hogueras nuevas de colores nunca vistos, mil fantasmas imponderables a los que dar cuerpo. ABSTRACT According to Heidegger, the essence of architecture, building, lies in a non-space: the material that creates the boundaries from which something begins its presencing, radiating onto them that which characterizes them. If there is any single material amongst all those used throughout the history of architecture to build boundaries which has maintained a special relationship with light and vision, which has bestowed a distinctive character on spaces avid for them, it is glass. This is evidenced in some of its etymologies: zakû (to be clear), hyalos (transparent), vitrum (see). The rich potential of this fascinating way of relating to light in the history of the architectural use of glass, and even before, is possibly what has triggered the illusion in human imagination of being something that can ultimately sublimate all others, giving rise to what in this thesis we call The Dream of Crystal Architecture. Given that light is always energy, in this thesis we consider energy-light to be that which illuminates and warms. This is scientific, measurable light. When light "becomes visible" and reveals a message “contained” in glass, we speak of information-light. This light cannot be measured scientifically. Energy-light and information-light are manifested under the spell of glass architecture. The latter is what has shaped the boundaries of coloured glass, which is studied in this thesis. Architecture's different ways of using the infinite combinations of the absorptance, reflectance, transmittance and translucency of glass has affected the way we humans "see" the world. Sometimes we are "immersed" in it, since only an invisible, transparent boundary separates us from it: this use of glass has characterized a considerable part of 20th century architecture. In other cases, in order to "isolate" us from it, we have manipulated light and glass to build different worlds: the boundaries of glass "masked" by colour, mosaics, stained glass, screens and what we have called complex glazing, which plays a similar role to what Schiller attributed to the chorus in Greek tragedy, isolating it from the "real world" in order to maintain its poetic license. These are the boundaries that have built the viable dream of crystal architecture. These two approaches have been different ways of making same dream come true at different times in the history of architecture. The ability of glass to adapt to so many forms of manifestation, and interpretation, is what has given rise to the title of the thesis. Even in its most transparent facet, glass has one way or another always been a masking material in the broadest sense of the word: it is masked even when it invites transparency or becomes a mirror, triggering the illusion that it is not present. When man began to build glass boundaries, and even before, when he dreamed that he could build them, he condensed in them all the mythology, mysticism and epistemology concerning light and vision, which gave rise to a series of architectural archetypes. In the Byzantine church, light on or from mosaics created tenuous boundaries. In Gothic cathedrals, the light through the stained glass windows constructed radiant boundaries. In both cases the aim was to achieve, in an anagogical way, the Intelligible. In the 19th, the discovery of electricity and its use in architecture led to the production of dazzling boundaries, in this case employed in urban spaces. Earlier in the same century, the Gothic spirit had a short-lived revival, which in the early 20th century drew from crystalline expressionism in which anagogic light became secular. The dazzling urban space prefigured by this movement, present in cities since the early 20th century, was intensified in the mid-century with the emergence of screens, and since then it has spread unstoppably across the world. The recent emergence of complex glasses has made it possible to build boundaries on demand in glass with multiple properties, chosen at will and at whim at any time. Initially it was thought that the use of this glass as a wall could eventually become the panacea for the material problems related to energy-light, without needing to resort to "prosthesis" and thereby maintain the seductive smoothness of the facade. For now, that possibility seems remote, to say the least. In the realm of urban megascreens and information screens in general, now ubiquitous in our lives, complex glasses help to build the thick veils of illusion which, according to Lefebvre, serve to maintain capitalism. Like an inexorable metronome, in counterpoint, this ultimate state of technological development imposed by man's principle of economy has in fact always accompanied (again in the words of Lefebvre), the need to spend, play, fight, art, and party. Technology and art are part of the culture produced by society. As Levi-Strauss says, this culture imposes order. On the contrary, society, understood as a set of relationships amongst people, produces disorder. Progress, including that of architecture, arises from the balance between these two extremes. The glass boundaries analyzed in this thesis, which propitiate spaces for spirituality, pomp and spectacle or, from a different perspective, for the various manifestations of power: the church, the monarchy, the state and the market, have also emerged from the concomitance of order and disorder. One aspect of this disorder is the adventure that has inspired the individual genius of mystics, alchemists, surveyors, abbots, kings, inventors, poets and architects to explore, as Apollinaire says, vast, strange domains where flowering mystery offers itself to whoever wishes to pluck it, new fires, colours you have never seen before, a thousand intangible phantasms still awaiting reality.

Determination of a refractive index and an extinction coefficient of standard production of CVD-graphene

The refractive index and extinction coefficient of chemical vapour deposition grown graphene are determined by ellipsometry analysis. Graphene films were grown on copper substrates and transferred as both monolayers and bilayers onto SiO2/Si substrates by using standard manufacturing procedures. The chemical nature and thickness of residual debris formed after the transfer process were elucidated using photoelectron spectroscopy. The real layered structure so deduced has been used instead of the nominal one as the input in the ellipsometry analysis of monolayer and bilayer graphene, transferred onto both native and thermal silicon oxide. The effect of these contamination layers on the optical properties of the stacked structure is noticeable both in the visible and the ultraviolet spectral regions, thus masking the graphene optical response. Finally, the use of heat treatment under a nitrogen atmosphere of the graphene-based stacked structures, as a method to reduce the water content of the sample, and its effect on the optical response of both graphene and the residual debris layer are presented. The Lorentz-Drude model proposed for the optical response of graphene fits fairly well the experimental ellipsometric data for all the analysed graphene-based stacked structures.

CENP-E is an essential kinetochore motor in maturing oocytes and is masked during Mos-dependent, cell cycle arrest at metaphase II

CENP-E, a kinesin-like protein that is known to associate with kinetochores during all phases of mitotic chromosome movement, is shown here to be a component of meiotic kinetochores as well. CENP-E is detected at kinetochores during metaphase I in both mice and frogs, and, as in mitosis, is relocalized to the midbody during telophase. CENP-E function is essential for meiosis I because injection of an antibody to CENP-E into mouse oocytes in prophase completely prevented progression of those oocytes past metaphase I. Beyond this, CENP-E is modified or masked during the natural, Mos-dependent, cell cycle arrest that occurs at metaphase II, although it is readily detectable at the kinetochores in metaphase II oocytes derived from mos-deficient (MOS−/−) mice that fail to arrest at metaphase II. This must reflect a masking of some CENP-E epitopes, not the absence of CENP-E, in meiosis II because a different polyclonal antibody raised to the tail of CENP-E detects CENP-E at kinetochores of metaphase II-arrested eggs and because CENP-E reappears in telophase of mouse oocytes activated in the absence of protein synthesis.

Expression of HLA class I-specific inhibitory natural killer cell receptors in HIV-specific cytolytic T lymphocytes: Impairment of specific cytolytic functions

Human T lymphocytes have been shown to express inhibitory natural killer cell receptors (NKR), which can down-regulate T cell antigen receptor-mediated T cell function, including cytolytic activity. In the present study, we demonstrate that CD3+NKR+ cells can be identified in HIV-infected patients. HIV-specific cytolytic activity was analyzed in five patients in whom autologous lymphoblastoid B cell lines could be derived as a source of autologous target cells. Phytohemagglutinin-activated T cell populations that had been cultured in interleukin 2 displayed HIV-specific cytotoxic T lymphocyte (CTL) activity against HIV env, gag, pol, and nef in 3 of 5 patients. Addition of anti-NKR mAb of IgM isotype could increase the specific CTL activity. Moreover, in one additional patient, HIV-specific CTL activity was undetectable; however, after addition of anti-NKR mAb such CTL activity appeared de novo. Similar results were obtained by analysis of CD3+NKR+ clones derived from two patients. These data provide direct evidence that CD3+NKR+ cells may include antigen (HIV)-specific CTLs and that mAb-mediated masking of inhibitory NKR may revert the down-regulation of CTL function.

Excitatory–inhibitory network in the visual cortex: Psychophysical evidence

At early stages in visual processing cells respond to local stimuli with specific features such as orientation and spatial frequency. Although the receptive fields of these cells have been thought to be local and independent, recent physiological and psychophysical evidence has accumulated, indicating that the cells participate in a rich network of local connections. Thus, these local processing units can integrate information over much larger parts of the visual field; the pattern of their response to a stimulus apparently depends on the context presented. To explore the pattern of lateral interactions in human visual cortex under different context conditions we used a novel chain lateral masking detection paradigm, in which human observers performed a detection task in the presence of different length chains of high-contrast-flanked Gabor signals. The results indicated a nonmonotonic relation of the detection threshold with the number of flankers. Remote flankers had a stronger effect on target detection when the space between them was filled with other flankers, indicating that the detection threshold is caused by dynamics of large neuronal populations in the neocortex, with a major interplay between excitation and inhibition. We considered a model of the primary visual cortex as a network consisting of excitatory and inhibitory cell populations, with both short- and long-range interactions. The model exhibited a behavior similar to the experimental results throughout a range of parameters. Experimental and modeling results indicated that long-range connections play an important role in visual perception, possibly mediating the effects of context.

Optical images of visible and invisible percepts in the primary visual cortex of primates

We optically imaged a visual masking illusion in primary visual cortex (area V-1) of rhesus monkeys to ask whether activity in the early visual system more closely reflects the physical stimulus or the generated percept. Visual illusions can be a powerful way to address this question because they have the benefit of dissociating the stimulus from perception. We used an illusion in which a flickering target (a bar oriented in visual space) is rendered invisible by two counter-phase flickering bars, called masks, which flank and abut the target. The target and masks, when shown separately, each generated correlated activity on the surface of the cortex. During the illusory condition, however, optical signals generated in the cortex by the target disappeared although the image of the masks persisted. The optical image thus was correlated with perception but not with the physical stimulus.

Combined transgenic expression of α-galactosidase and α1,2-fucosyltransferase leads to optimal reduction in the major xenoepitope Galα(1,3)Gal

Hyperacute rejection of pig organs by humans involves the interaction of Galα(1,3)Gal with antibodies and complement. Strategies to reduce the amount of xenoantigen Galα(1,3)Gal were investigated by overexpression of human lysosomal α-galactosidase in cultured porcine cells and transgenic mice. The overexpression of human α-galactosidase in cultured porcine endothelial cells and COS cells resulted in a 30-fold reduction of cell surface Galα(1,3)Gal and a 10-fold reduction in cell reactivity with natural human antibodies. Splenocytes from transgenic mice overexpressing human α-galactosidase showed only a 15–25% reduction in binding to natural human anti-Galα(1,3)Gal antibodies; however, this decrease was functionally significant as demonstrated by reduced susceptibility to human antibody-mediated lysis. However, because there is residual Galα(1,3)Gal and degalactosylation results in the exposure of N-acetyllactosamine residues and potential new xenoepitopes, using α-galactosidase alone is unlikely to overcome hyperacute rejection. We previously reported that mice overexpressing human α1,2-fucosyltransferase as a transgene had ≈90% reduced Galα(1,3)Gal levels due to masking of the xenoantigen by fucosylation; we evaluated the effect of overexpressing α-galactosidase and α1,2-fucosyltransferase on Galα(1,3)Gal levels. Galα(1,3)Gal-positive COS cells expressing α1,3-galactosyltransferase, α1,2-fucosyltransferase, and α-galactosidase showed negligible cell surface staining and were not susceptible to lysis by human serum containing antibody and complement. Thus, α1,2-fucosyltransferase and α-galactosidase effectively reduced the expression of Galα(1,3)Gal on the cell surface and could be used to produce transgenic pigs with negligible levels of cell surface Galα(1,3)Gal, thereby having no reactivity with human serum and improving graft survival.

Efficient IgG-mediated suppression of primary antibody responses in Fcγ receptor-deficient mice

IgG antibodies can suppress more than 99% of the antibody response against the antigen to which they bind. This is used clinically to prevent rhesus-negative (Rh−) women from becoming immunized against Rh+ erythrocytes from their fetuses. The suppressive mechanism is poorly understood, but it has been proposed that IgG/erythrocyte complexes bind to the inhibitory Fc receptor for IgG (FcγRIIB) on the B cell surface, thereby triggering negative signals that turn off the B cell. We show that IgG induces the same degree of suppression of the response to sheep erythrocytes in animals lacking the known IgG-binding receptors FcγRIIB, FcγRI + III, FcγRI + IIB + III, and FcRn (the neonatal Fc receptor) as in wild-type animals. Reinvestigation of the ability of F(ab′)2 fragments to suppress antibody responses demonstrated that they were nearly as efficient as intact IgG. In addition, monoclonal IgE also was shown to be suppressive. These findings suggest that IgG inhibits antibody responses through Fc-independent mechanisms, most likely by masking of antigenic epitopes, thereby preventing B cells from binding and responding to antigen. In agreement with this, we show that T cell priming is not abolished by passively administered IgG. The results have implications for the understanding of in vivo regulation of antibody responses and Rh prophylaxis.