摘要细节小说神经峰值概率统计方法进行自动排序,使用随机点过程模型的神经高峰火车和参数化的动作电位波形。小说可能性模型观察发射倍隐藏神经高峰列车派生的聚合,以及迭代过程为集群数据和发现的可能性最大化的参数。执行和评估方法完全semiartificial标记数据集和部分标记的数据集从大鼠的海马细胞外电动痕迹。(即在条件相对较高的困难。,w我th additive noise and with similar action potential waveform shapes for distinct neurons) the method achieves significant improvements in clustering performance over a baseline waveform-only Gaussian mixture model (GMM) clustering on the semiartificial set (1.98% reduction in error rate) and outperforms both the GMM and a state-of-the-art method on the real dataset (5.04% reduction in false positive + false negative errors). Finally, an empirical study of two free parameters for our method is performed on the semiartificial dataset.
跟踪信号从细胞外电极植入神经元极其有价值的人口研究神经元的行为和作为主要的输入源用于汽车和通讯接口基于脑-机接口(
gydF4y2Ba一神经飙升的火车,一个用于每个神经元或神经元集群附近的电极,通常是最重要的结果的排序操作(
gydF4y2Ba在本文中,我们详细的一部小说,概率框架神经分类,基于静止,ISI随机模型的神经高峰列车。提出了初步版本的这项工作之前在会议论文集(
节
gydF4y2Ba最后,在节
神经元动作电位的任务识别或分类,可以被视为一个潜变量问题的发现点火时间和相应的动作电位波形观察到细胞外的电跟踪,和底层神经元的身份是一个隐藏的变量。在本节的其余部分,我们将介绍一种新的方法的排序问题,在那里我们模型的观察,threshold-crossing神经元活动倍多个隐藏点的聚合过程,每个神经元的一个。我们使用一个迭代过程的最大似然序列估计状态集的基础上观察到的动作电位波形和点火时间。
让向量<我nline-formula>
gydF4y2Ba我们定义的后验概率<我nline-formula>
gydF4y2Ba最优序列<我nline-formula>
在图的图形模型
我们可以代表之间的动态关系<我nline-formula>
崩溃的概率分布及其在所有表中给出了实验中使用的参数
的参数设置<我nline-formula>
除了分布参数<我nline-formula>
给定一个真实的,连续的细胞外跟踪,它通常是行不通的获得一套完整的地面实况标签,因为它不能被直接观察到神经元中的每个动作电位峰值跟踪造成的。这使得评价排序困难最重要的情况下。合成细胞外的痕迹,通常部分组成的真实数据,提供完整的标签数据集用于开发和评价的排序方法。当完全真实的数据,但是,可以收集数据使用仔细电极细胞外和细胞内电极放置在一个神经细胞获得部分地面实况标签。钉在一个细胞内电极附近一个神经元的发射时间认同肯定。在部分
我们评估排序方法带安全标签的数据收集,在某种程度上,从公开WaveClus人工数据集(
第一个2动作电位波形的PCA系数+噪声信噪比各级“Easy1”和“Difficult1”semi-artificial数据集。
所有WaveClus数据集的子集包含3与人工神经元集群射击乘以相同的发射率的统计数字。对于我们的实验,我们生成的发射时间根据蒙特卡罗抽样3个独立的对数正态分布的分布,导致数据集2483发射时间24秒的长度。最低3-millisecond间隔时间是执行模型所有集群的不应期。
gydF4y2Ba表
峰电位区间数据的模拟参数。
脉冲间的时间间隔直方图为“Easy1”和“Difficult1”数据集。根据对数正态分布峰值发射时间生成ISI分布与参数表中列出
数据集的分类错误率WaveClus semiartificial。
总的来说,我们发现我们的方法,扩展了waveform-only基线通过合并每个神经元的隐藏点过程模型,减少了错误率的噪音。“Easy1”数据集的错误率较高的信噪比(信噪比水平<我nline-formula>
gydF4y2Ba类似的趋势是“Difficult1”数据集,但在更高的信噪比。10 dB信噪比和5 dB信噪比,降低误码率对基线1.37%和1.57%,分别。然而,当信噪比降低到0 dB为“Difficult1”数据集,我们看到在错误率显著增加。WaveClus方法,然而,在这个数据集上执行更好。
在实际评估我们的方法,连续的数据,我们使用一个公开的数据集的皮质电痕迹从麻醉大鼠的海马,以下简称为“盐酸”[
同时细胞外(EC)和细胞内(IC)电势的痕迹从数据集1完全真实的数据集用盐酸。真正的发射时间“IC神经元”附近的确定。
gydF4y2Ba对于EC波形,我们使用主成分分析(PCA)降维。我们保持前3个主成分特征<我nline-formula>
PCA +噪声对数据集2用盐酸的波形特性。神经元特性的“IC”黑“X”标记所示。
<我talic>
结果。我talic>量化性能结果,总(FP + FN)的出错率,给出了表
分类错误率(FP + FN)盐酸的数据集。
我们提议联合波形和燃烧率方法执行最好的在所有情况下,除了在信噪比低的层面上对数据集1和2。WaveClus方法导致很高的FN错误计数,但低FP数量(只有总错误率,FP + FN,如表所示
我们的聚类方法是保留大量的路径,<我nline-formula>
gydF4y2Ba在图
出错率和<我nline-formula>
评价历史窗口长度的影响<我nline-formula>
错误率与窗口长度<我nline-formula>
高峰排序是出于我们的概率方法,尖峰波形和相应的发射时间构成观测数据用于使推断潜在的隐藏神经元产生它们的过程。在这一过程中,我们结合相关数据主要由许多传统高峰未使用的排序方法。我们结合一个尖峰波形和一阶高斯模型更新过程模型的每个神经元点火时间到一个联合概率模型的几个神经元附近的一个电极。观察到的发射时间建模的聚合<我nline-formula>
gydF4y2Ba我们的方法旨在提高精度waveform-only排序方法,尤其是条件下这些方法尤为敏感,如高噪音的存在,有相似的波形状不同的神经元。我们的方法包含一个联合概率模型的多变量单高斯模型的前两个主成分神经脉冲波形和对数正态分布和ISI泊松模型的神经高峰列车。研究将神经脉冲序列的影响模型相比,我们的方法的性能多元高斯函数的waveform-only集群使用采用GMM (EM-GMM)算法和最先进的WaveClus算法。首先,我们对所有方法的修改版本semiartificial WaveClus数据集,所有神经标签和点火时间确知的。而先进的WaveClus方法优于我们的方法在这个数据集,我们取得了显著减少错误率和EM-GMM waveform-only模型在两个一般情况下:<我nline-formula>
gydF4y2Ba在第二个数据集,由完全真实的数据,我们的方法持续达到更好的性能比基线waveform-only EM方法和WaveClus方法。应该在这里重申,错误率报道这个数据集反映了三个神经元只有一个,而且只有部分总分类或聚类性能的措施。我们达到相当大的减少错误率与基线数据集1噪音水平和在相对较高的噪声(即数据集2。−5 dB信噪比)。与“容易”数据集从semiartificial WaveClus数据,当基线EM-GMM方法已经达到一个较低的错误率,我们建议的方法达到只有很小的改进。与数据集1的高噪音或“困难”配置WaveClus集,基线误差已经相对较高,和我们的模型能显著降低它(WaveClus数据高达1.98%和5.04%的数据集1)。然而,在极高的噪音(−10 dB真实数据集和0分贝为“困难”WaveClus数据集)我们的方法获得高错误率错误率(大于30%)。失败的可能原因在极高的噪音是我们对初始聚类方法是敏感(回想一下,waveform-only EM-GMM方法实际上是用来提供初始聚类为我们建议的过程)和迭代参数估计过程中描述的部分
gydF4y2Ba这项工作的贡献包括建模观察点的发射过程的可能性倍联合的可能性高峰列车的合奏;联合的可能性的数学推导波形,射击次,和标签的之前的数据点;和迭代聚类的派生和参数估计过程使用分段ISI表达可能性。我们的集群和参数估计过程操作交替最大化数据和评估新的参数基于可能性的结果。虽然基本思想是类似于摘要采用或Viterbi-based参数进行估计,我们的过程是次优的数据的可能性。因为我们的方法取决于保留大量的最高可能性路径,性能,然后,取决于可用的计算资源。出于这个原因,我们研究了存储路径的数量对飙升的影响排序性能和发现,除了最困难,高噪音条件下,我们可以减少路径的数量没有显著损失10倍精度。
应该注意的是,一些重要问题的排序问题,并聚类问题一般来说,没有直接解决。使用数据集包含相同数量的每个神经元,我们没有解决自动确定神经元的数量。自从我们与waveform-only GMM聚类初始化过程,确定集群的数量使用Aikake信息标准(AIC),贝叶斯信息准则(BIC),或其他一些方法只需要一个简单的扩展。然而,迭代聚类过程可以修剪出动态集群。测量方法修剪出集群(包括初始化和大量的集群)是未来研究的主题。重叠的峰值,由于电极漂移波形形状的变化,和波形衰减,特别是由于破裂活动,也是未来研究的重要课题。虽然我们的研究结果表明,我们的算法,它包含发射信息,可能会特别健壮的电极漂移和波形衰减,因为它提高了基线与困难的波形形状和高噪音,这应该是未来实验验证研究。
在本文中,我们提出并证明了一种新颖的飙升排序方法出于这个想法,观察尖峰波形和观察到的峰值的时间事件信息的排序任务可能是有用的。其他一些最近的研究引入峰值基于这个一般概念和分类方法,在本节中,我们与我们的对比这些方法及其优点。
gydF4y2Ba在[
Bar-HillelgydF4y2Ba等人引入了一个非平稳的上升排序方法设计占峰值的明显的非平稳特性波形数据
gydF4y2Ba文图拉介绍一个方法(
gydF4y2Ba尖峰振幅峰值的概率模型和解雇Pouzat等人提出的
我们已经开发了一个模型的观察,threshold-crossing神经元活动倍的聚合<我nline-formula>
作者宣称没有利益冲突有关的出版。