Od neuronu do sieci: modelowanie układu nerwowego

Podobne dokumenty
Zmienność i modele stochastyczne odpowiedzi wzrokowych neuronów wzgórka czworaczego górnego kota

Ważne rozkłady i twierdzenia c.d.

Jeśli wszystkie wartości, jakie może przyjmować zmienna można wypisać w postaci ciągu {x 1, x 2,...}, to mówimy, że jest to zmienna dyskretna.

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA Wydział Matematyki Stosowanej ROZKŁAD NORMALNY ROZKŁAD GAUSSA

2. P (E) = 1. β B. TSIM W3: Sygnały stochastyczne 1/27

Ważne rozkłady i twierdzenia

Zakładamy, że są niezależnymi zmiennymi podlegającymi (dowolnemu) rozkładowi o skończonej wartości oczekiwanej i wariancji.

Weryfikacja hipotez statystycznych

Analiza szeregów czasowych: 2. Splot. Widmo mocy.

Matematyka 2. dr inż. Rajmund Stasiewicz

Elementy Modelowania Matematycznego Wykład 4 Regresja i dyskryminacja liniowa

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego. Ćwiczenie 2 Badanie funkcji korelacji w przebiegach elektrycznych.

MODELOWANIE ZMIENNOŚCI CEN AKCJI MODEL ADDYTYWNY MODEL MULTIPLIKATYWNY

W rachunku prawdopodobieństwa wyróżniamy dwie zasadnicze grupy rozkładów zmiennych losowych:

Układy stochastyczne

Sposoby opisu i modelowania zakłóceń kanałowych

Metoda największej wiarygodności

Metody Rozmyte i Algorytmy Ewolucyjne

LABORATORIUM PODSTAW TELEKOMUNIKACJI

Rozkłady statystyk z próby

STATYSTYKA MATEMATYCZNA ZESTAW 0 (POWT. RACH. PRAWDOPODOBIEŃSTWA) ZADANIA

Stochastyczne równania różniczkowe, model Blacka-Scholesa

Szczegółowy program kursu Statystyka z programem Excel (30 godzin lekcyjnych zajęć)

W3 - Niezawodność elementu nienaprawialnego

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Kwantowa wariacyjna metoda Monte Carlo. Problem własny dla stanu podstawowego układu N cząstek

Komputerowa Analiza Danych Doświadczalnych

Szczegółowy program kursu Statystyka z programem Excel (30 godzin lekcyjnych zajęć)

Wprowadzenie do analizy korelacji i regresji

Szeregi czasowe, analiza zależności krótkoi długozasięgowych

Spis treści. Przedmowa... XI. Rozdział 1. Pomiar: jednostki miar Rozdział 2. Pomiar: liczby i obliczenia liczbowe... 16

O procesie Wienera. O procesie Wienera. Procesy stochastyczne Wykład XV, 15 czerwca 2015 r. Proces Wienera. Ruch Browna. Ułamkowe ruchy Browna

Zadanie 1. Liczba szkód N w ciągu roku z pewnego ryzyka ma rozkład geometryczny: k =

2. Wykaż, że moment pierwszego skoku w procesie Poissona. S 1 := inf{t : N t > 0} jest zmienną losową o rozkładzie wykładniczym z parametrem λ.

STATYSTYKA MATEMATYCZNA

- prędkość masy wynikająca z innych procesów, np. adwekcji, naprężeń itd.

Biostatystyka, # 3 /Weterynaria I/

Spacery losowe generowanie realizacji procesu losowego

Procesy stochastyczne

Spis treści 3 SPIS TREŚCI

Miernictwo Wibroakustyczne Literatura. Wykład 1 Wprowadzenie. Sygnały pomiarowe

Analiza szeregów czasowych: 2. Splot. Widmo mocy.

6. Zmienne losowe typu ciagłego ( ) Pole trapezu krzywoliniowego

Rozkłady dwóch zmiennych losowych

Rozkłady i ich dystrybuanty 16 marca F X (t) = P (X < t) 0, gdy t 0, F X (t) = 1, gdy t > c, 0, gdy t x 1, 1, gdy t > x 2,

Procesy stochastyczne

Projekt zaliczeniowy z przedmiotu Statystyka i eksploracja danych (nr 3) Kamil Krzysztof Derkowski

Statystyka od podstaw Janina Jóźwiak, Jarosław Podgórski

Analiza szeregów czasowych: 7. Liniowe modele stochastyczne

Zmienne losowe i ich rozkłady. Momenty zmiennych losowych. Wrocław, 10 października 2014

Rozkład Gaussa i test χ2

Wykład 10 Estymacja przedziałowa - przedziały ufności dla średn

Wykład 4. Plan: 1. Aproksymacja rozkładu dwumianowego rozkładem normalnym. 2. Rozkłady próbkowe. 3. Centralne twierdzenie graniczne

Zmienne losowe ciągłe i ich rozkłady

Analiza szeregów czasowych: 5. Liniowe modele stochastyczne

PDF created with FinePrint pdffactory Pro trial version

Rozkład normalny, niepewność standardowa typu A

Prognozowanie i Symulacje. Wykład I. Matematyczne metody prognozowania

Wprowadzenie do teorii ekonometrii. Wykład 1 Warunkowa wartość oczekiwana i odwzorowanie liniowe

zadania z rachunku prawdopodobieństwa zapożyczone z egzaminów aktuarialnych

Przedmowa Wykaz symboli Litery alfabetu greckiego wykorzystywane w podręczniku Symbole wykorzystywane w zagadnieniach teorii

PRAWDOPODOBIEŃSTWO. ZMIENNA LOSOWA. TYPY ROZKŁADÓW

2. Wykaż, że moment pierwszego skoku w procesie Poissona. S 1 := inf{t : N t > 0} jest zmienną losową o rozkładzie wykładniczym z parametrem λ.

Analiza szeregów czasowych: 3. Filtr Wienera

Program MC. Obliczyć radialną funkcję korelacji. Zrobić jej wykres. Odczytać z wykresu wartość radialnej funkcji korelacji w punkcie r=

4,5. Dyskretne zmienne losowe (17.03; 31.03)

KORELACJE I REGRESJA LINIOWA

Komputerowa Analiza Danych Doświadczalnych

Wykład 2 Zmienne losowe i ich rozkłady

Rachunek Prawdopodobieństwa Anna Janicka

Statystyka. Wykład 7. Magdalena Alama-Bućko. 16 kwietnia Magdalena Alama-Bućko Statystyka 16 kwietnia / 35

Dyskretne zmienne losowe

P (A B) = P (A), P (B) = P (A), skąd P (A B) = P (A) P (B). P (A)

ZAJĘCIA II. Zmienne losowe, sygnały stochastyczne, zakłócenia pomiarowe

WYKŁAD: Szeregi czasowe II. Zaawansowane Metody Uczenia Maszynowego

Transmisja przewodowa

Rachunek prawdopodobieństwa i statystyka

CYFROWE PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW

SMOP - wykład. Rozkład normalny zasady przenoszenia błędów. Ewa Pawelec

Twierdzenia graniczne fluktuacji procesów przebywania dla układów gałazkowych

2. Założenie niezależności zakłóceń modelu - autokorelacja składnika losowego - test Durbina - Watsona

Proces Poissona. Proces {N(t), t 0} nazywamy procesem zliczającym jeśli N(t) oznacza całkowitą liczbę badanych zdarzeń zaobserwowanych do chwili t.

Parametr Λ w populacji ubezpieczonych ma rozkład dany na półosi dodatniej gęstością: 3 f

Wykład 3 Jednowymiarowe zmienne losowe

Statystyka matematyczna dla leśników

Rozdział 1 PODSTAWOWE POJĘCIA I DEFINICJE

Literatura. Leitner R., Zacharski J., Zarys matematyki wyŝszej dla studentów, cz. III.

PODSTAWOWE ROZKŁADY PRAWDOPODOBIEŃSTWA. Piotr Wiącek

Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Matematyka ubezpieczeń majątkowych r.

WYKŁAD 2. Zdarzenia losowe i prawdopodobieństwo Zmienna losowa i jej rozkłady

3. Analiza własności szeregu czasowego i wybór typu modelu

Metody probabilistyczne

Statystyka. Wykład 8. Magdalena Alama-Bućko. 10 kwietnia Magdalena Alama-Bućko Statystyka 10 kwietnia / 31

Załóżmy, że obserwujemy nie jedną lecz dwie cechy, które oznaczymy symbolami X i Y. Wyniki obserwacji obu cech w i-tym obiekcie oznaczymy parą liczb

Prawdopodobieństwo i statystyka

Przykład 1 W przypadku jednokrotnego rzutu kostką przestrzeń zdarzeń elementarnych

Procesy stochastyczne 2.

MODELE MATEMATYCZNE W UBEZPIECZENIACH

Podstawy opracowania wyników pomiarów z elementami analizy niepewności pomiarowych. Wykład tutora na bazie wykładu prof. Marka Stankiewicza

Transkrypt:

Od neuronu do sieci: modelowanie układu nerwowego Stochastyczne modele generacji iglic Kodowanie informacji w układzie nerwowym dr Daniel Wójcik

Na podstawie podręcznika THEORETICAL NEUROSCIENCE Petera Dayana i Larry'ego F. Abbotta

Kodowanie w układzie nerwowym Częstość generacji i statystyka potencjałów czynnościowych

Funkcja odpowiedzi neuronu Załóżmy, że w czasie 0 do T neuron generuje iglice (spikes) w czasach 0 t1... tn T Możemy zakodować tę informację w postaci: funkcja odpowiedzi neuronu neural response function Każdą średnią po czasach iglic możemy zapisać jako całkę z funkcją odpowiedzi neuronu: Dostajemy to korzystając z definicji funkcji delta

Firing rate częstość generacji iglic spike-count rate częstość zliczeń r(t) time dependent firing rate - częstość generacji iglic pod całką średnią funkcję odpowiedzi neuronu <ρ>(t) możemy na ogół zastąpić częstością r(t) average firing rate <r> średnia częstość generacji iglic

Krzywe strojenia Jeżeli średnia częstość generacji iglic <r> zależy od jednego parametru bodźca s, to funkcję r = f s nazywamy krzywą strojenia odpowiedzi neuronu (neural response tuning curve)

smax preferowana orientacja neuronu

Krzywe strojenia Krzywe strojenia można używać do badania selektywności neuronów w układzie wzrokowym i innych układach zmysłowych. Można je też używać do badania układów motorycznych. Używamy wtedy parametrów ruchu, a nie bodźca

Częstość musi być nieujemna, jeżeli więc minimalna częstość 2r0-rmax<0, to musimy obciąć ujemne wartości powyższej funkcji:

Zmienność częstości zliczeń spike count variability Częstość zliczeń kolejnych odpowiedzi na ten sam bodziec na ogół zmienia się losowo. Krzywa strojenia tego nie oddaje. Średnie odchylenie standardowe f(s) może być niezależne od s, mówimy wtedy o szumie addytywnym. Jeżeli średnie odchylenie standardowe jest proporcjonalne do f(s) to mówimy o szumie multiplikatywnym.

Spike-triggered stimulus Krzywe strojenia charakteryzują średnią odpowiedź neuronu na bodziec. Teraz pytamy jaki był średnio bodziec, który wywołał daną odpowiedź. Jeżeli wybraną odpowiedzią jest jedna iglica, to otrzymaną wielkość będziemy nazywali średnim bodźcem wyzwolonym iglicą spike-triggered average stimulus

Bodźce Neurony muszą kodować bodźce zmieniające się w ogromnym zakresie dynamicznym. Na przykład fotoreceptory w siatkówce mogą odpowiadać na pojedyncze fotony albo działać w pełnym oświetleniu bombardowane milionami fotonów na sekundę. Żeby poradzić sobie z tak dużym zakresem parametrów bodźca neurony na ogół najlepiej odpowiadają na szybkie zmiany własności bodźca a są stosunkowo nieczułe na jego stały poziom.

Prawa Webera i Fechnera Weber mierzył jaka musi być różnica Δs między dwoma natężeniami bodźca, żeby można je było rozróżnić z całą pewnością. Odkrył, że jest ona proporcjonalna do natężenia bodźca s. s 1 =const = ds postrzegany s C Prawo Webera Fechner zasugerował, że postrzegane różnice ustalają skalę postrzeganych natężeń bodźca. s 2, postrzegany s 1, postrzegany = s2 =C s 1 ds =C ln s 2 C ln s 1 s Prawo Fechnera

Własności bodźców Układy zmysłowe adaptują się do średniego poziomu bodźca korzystając z wielu różnych mechanizmów fizjologicznych. Będziemy to uwzględniać zakładając, że bodziec oscyluje wokół pewnego średniego poziomu, który często przyjmiemy za 0. 1 T dt s t =0 0 T Czasami będziemy przyjmować, że poza czasem obserwacji [0,T] bodziec się powtarza s T τ =s τ

Średnia wyzwolona iglicą Spike-triggered average Żeby policzyć średni bodziec wyzwolony iglicą C(τ) bierzemy dla każdej iglicy w czasie ti z każdej odpowiedzi wartość bodźca w czasie wcześniejszym o τ, to jest s(ti-τ), a następnie uśredniamy te wartości po wszystkich iglicach i wszystkich bodźcach

Przykład 1 średnia wyzwolona iglicą

Średni bodziec wyzwolony iglicą Chociaż zakres τ w definicji C(τ) jest formalnie nieskończony, w praktyce na odpowiedź wpływa tylko kilkaset milisekund bodźca przed iglicą ( czas korelacji bodźca z odpowiedzią). Jeżeli bodziec jest nieskorelowany z sobą w czasie to oczekujemy również C(τ)=0 dla τ<0.

Średni bodziec wyzwolony iglicą Korzystając z równości wprowadzonych na poprzednim wykładzie oraz mamy

Funkcja Qrs korelacji bodźca z częstością generacji iglic Funkcje korelacji mierzą wzajemną średnią zależność wielkości zmieniających się w czasie Funkcja korelacji bodźca z częstością generacji iglic (firing rate stimulus correlation function) [a właściwie funkcja kowariancji]: Z definicji mamy ( )

Funkcja Qrs korelacji bodźca z częstością generacji iglic Z definicji mamy ( ) Ze względu na ujemny argument w powyższym równaniu (-τ), średni bodziec wyzwolony iglicą nazywa się również funkcją korelacji odwrotnej (reverse correlation function)

Średni bodziec wyzwolony iglicą przykład 2

Średni bodziec wyzwolony iglicą: dodatkowe uwagi Ponieważ C(t) jest średnią wartością bodźca w czasie t przed iglicą, zwykle zaznacza się to kierując oś czasu na wykresie w lewo. Średnia wyzwolona iglicą zależy od bodźców użytych w doświadczeniu. Na ogół używa się różnych rodzajów szumu dopasowanych do typu komórek. Jest to zwykle biały szum, który zawiera wszystkie częstości z jednakowymi wagami. Używa się też bodźców naturalnych.

Średni bodziec wyzwolony kilkoma iglicami Bodźce możemy wyzwalać nie tylko jedną iglicą ale też bardziej złożonymi ciągami iglic. Daje nam to dodatkowe informacje dotyczące kodowania informacji w tych strukturach. Na przykład, na tym rysunku widzimy, że dwie iglice odległe od siebie o 5 ms niosą więcej informacji, niż każda z iglic z osobna.

Średni bodziec wyzwolony kilkoma iglicami (mucha mięsna)

Bodźce szumowe biały szum Biały szum to sygnał s(t), którego wartości w dwóch różnych czasach są nieskorelowane s t ' s t ' ' =0 dla t ' t ' ' Jeżeli taki sygnał jest stacjonarny to jego funkcja autokorelacji Qss jest również 0 1 T 2 Q ss τ = 0 dt s t s t τ =σ s τ T Stała σ s mierzy wielkość zmienności szumu.

Biały szum: przykłady biały szum gaussowski biały szum gdzie s(t) jest losowany z rozkładu równomiernego na [0,1]

Biały szum: przykłady biały szum gaussowski biały szum gdzie s(t) jest losowany z rozkładu równomiernego na [0,1]

Widmo mocy sygnału Transformata Fouriera s n okresowego sygnału s t zdefiniowana jest jako n=2 n /T 1 T s n := 0 d τ s τ exp i n τ T Widmo mocy sygnału s t zdefiniowane jest jako kwadrat modułu s 2 Q ss := s Widmo mocy sygnału równe jest transformacie Fouriera jego funkcji autokorelacji T/2 1 ss = Q d τ Q τ exp i τ ss T T / 2

Widmo mocy białego szumu Ponieważ funkcja autokorelacji białego szumu jest funkcją delta 1 T 2 Q ss τ = 0 dt s t s t τ = σ s τ T zatem jego widmo mocy jest stałe T/2 1 ss = Q d τ Q ss τ exp i τ T / 2 T 2 σ s T /2 = T / 2 d τ τ exp i τ T 2 =σ s /T W praktyce nie da się wygenerować szumu białego we wszystkich częstościach. Zwykle powyżej pewnej częstości widmo mocy gaśnie do 0

Widmo mocy białego szumu: przykłady widmo mocy białego szumu gaussowskiego widmo mocy białego szumu gdzie s(t) jest losowany z rozkładu równomiernego na [0,1]

Widmo mocy białego szumu: przykłady widmo mocy białego szumu gaussowskiego widmo mocy białego szumu gaussowskiego średnia po 1000 realizacjach

Przybliżanie białego szumu Żeby wygenerować przybliżenie białego szumu dla każdego czasu t=m t losujemy kolejne wartości s(t) z dowolnego rozkładu o średniej 0 i 2 wariancji σ s / T Tak otrzymany sygnał spełnia warunek 1 M M { 2 s σ / T jeżeli p=0 m =1 s m s m p= 0 jeżeli p 0 } Rozkład wartości sygnału P(s) może być binarny ({0,1}), gaussowski, stały na przedziale, skończony, itd. Jeżeli rozkład P(s) jest gaussowski, szum nazywamy białym szumem gaussowskim

Procesy punktowe język opisu ciągów potencjałów czynnościowych Pełen opis odpowiedzi komórki na bodziec wymagałby podania prawdopodobieństwa wystąpienia dowolnej kombinacji iglic: PT[n] prawd. wystąpienia n iglic w czasie T 1 = PT[0] + PT[1] +... + PT[n] +... PT [n ]=1 n= 0

Tu trochę rachunków... z moich notatek...

Przykład 5.3.A W jednorodnym procesie Poissona o natężeniu funkcja przetrwania wynosi s S 0 s =e Rozkład przedziałów między iglicami jest wykładniczy s P 0 s = e

Przykład 5.3.B Jeżeli dołożymy czas refrakcji do procesu Poissona to rozkład przedziałów między iglicami będzie miał postać

Przykład 5.2.B W pewnych eksperymentach stwierdzono, że funkcja ryzyka po absolutnym czasie refrakcji nasyca się Taką funkcję ryzyka można wyprowadzić dla pewnych prostych modeli neuronu. Funkcja przetrwania dla tego modelu wynosi Rozkład przedziałów między iglicami wynosi

Przykład 5.2.A Jeżeli w doświadczeniu znaleźliśmy taki rozkład interwałów między iglicowych ze stałą a0>0, to natężenie procesu (funkcja ryzyka hazard function) wynosi Czyli w przedziale po każdej iglicy natężenie (ryzyko) znika. Możemy interpretować jako absolutny czas refrakcji neuronu. Dla s> ryzyko rośnie liniowo, tj. im dłużej neuron czeka tym większe jest prawdopodobieństwo wyładowania

Funkcja autokorelacji

Funkcja autokorelacji

Modelowanie procesów punktowych

Kodowanie w układzie nerwowym

Analiza ciągów iglic