Spike-triggered covariance: geometric proof, symmetry properties, and extension beyond Gaussian stimuli
Creators
- 1. Bariloche Atomic Centre
 - 2. Balseiro Institute
 - 3. Polytechnic University of Bari
 - 4. Bernstein Center for Computational Neuroscience Göttingen
 
Description
The space of sensory stimuli is complex and high-dimensional. Yet, single neurons in sensory systems are typically affected by only a small subset of the vast space of all possible stimuli. A proper understanding of the input-output transformation represented by a given cell therefore requires the identification of the subset of stimuli that are relevant in shaping the neuronal response. As an extension to the commonly-used spike-triggered average, the analysis of the spike-triggered covariance matrix provides a systematic methodology to detect relevant stimuli. As originally designed, the consistency of this method is guaranteed only if stimuli are drawn from a Gaussian distribution. Here we present a geometric proof of consistency, which provides insight into the foundations of the method, in particular, into the crucial role played by the geometry of stimulus space and symmetries in the stimulus-response relation. This approach leads to a natural extension of the applicability of the spike-triggered covariance technique to arbitrary spherical or elliptic stimulus distributions. The extension only requires a subtle modification of the original prescription. Furthermore, we present a new resampling method for assessing statistical significance of identified relevant stimuli, applicable to spherical and elliptic stimulus distributions. Finally, we exemplify the modified method and compare it to other prescriptions given in the literature.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
فضاء المحفزات الحسية معقد وعالي الأبعاد. ومع ذلك، تتأثر الخلايا العصبية المفردة في الأجهزة الحسية عادةً بمجموعة فرعية صغيرة فقط من المساحة الشاسعة لجميع المحفزات المحتملة. لذلك يتطلب الفهم السليم لتحويل المدخلات والمخرجات الذي تمثله خلية معينة تحديد المجموعة الفرعية من المحفزات ذات الصلة بتشكيل الاستجابة العصبية. كامتداد للمتوسط الذي يتم تشغيله بشكل شائع، يوفر تحليل مصفوفة التباين التي يتم تشغيلها بشكل كبير منهجية منهجية للكشف عن المحفزات ذات الصلة. كما تم تصميمه في الأصل، لا يتم ضمان اتساق هذه الطريقة إلا إذا تم استخلاص المحفزات من التوزيع الغاوسي. نقدم هنا دليلًا هندسيًا على الاتساق، والذي يوفر نظرة ثاقبة على أسس الطريقة، على وجه الخصوص، في الدور الحاسم الذي تلعبه هندسة فضاء التحفيز والتناظرات في علاقة التحفيز والاستجابة. يؤدي هذا النهج إلى امتداد طبيعي لقابلية تطبيق تقنية التباين المشترك التي تعمل بالارتفاع إلى توزيعات المنبهات الكروية أو الإهليلجية التعسفية. لا يتطلب التمديد سوى تعديل دقيق للوصفة الطبية الأصلية. علاوة على ذلك، نقدم طريقة جديدة لإعادة أخذ العينات لتقييم الأهمية الإحصائية للمحفزات المحددة ذات الصلة، والتي تنطبق على توزيعات المحفزات الكروية والإهليلجية. أخيرًا، نمثل الطريقة المعدلة ونقارنها بالوصفات الطبية الأخرى الواردة في الأدبيات.Translated Description (French)
L'espace des stimuli sensoriels est complexe et de grande dimension. Pourtant, les neurones individuels dans les systèmes sensoriels ne sont généralement affectés que par un petit sous-ensemble du vaste espace de tous les stimuli possibles. Une bonne compréhension de la transformation d'entrée-sortie représentée par une cellule donnée nécessite donc l'identification du sous-ensemble de stimuli pertinents pour la mise en forme de la réponse neuronale. En prolongement de la moyenne déclenchée par les pics couramment utilisée, l'analyse de la matrice de covariance déclenchée par les pics fournit une méthodologie systématique pour détecter les stimuli pertinents. Tel que conçu à l'origine, la cohérence de cette méthode n'est garantie que si les stimuli sont tirés d'une distribution gaussienne. Nous présentons ici une preuve géométrique de cohérence, qui donne un aperçu des fondements de la méthode, en particulier, du rôle crucial joué par la géométrie de l'espace de stimulus et des symétries dans la relation stimulus-réponse. Cette approche conduit à une extension naturelle de l'applicabilité de la technique de covariance déclenchée par des pics à des distributions de stimulus sphériques ou elliptiques arbitraires. L'extension ne nécessite qu'une modification subtile de la prescription d'origine. En outre, nous présentons une nouvelle méthode de rééchantillonnage pour évaluer la signification statistique des stimuli pertinents identifiés, applicable aux distributions de stimuli sphériques et elliptiques. Enfin, nous illustrons la méthode modifiée et la comparons à d'autres prescriptions données dans la littérature.Translated Description (Spanish)
El espacio de los estímulos sensoriales es complejo y de alta dimensión. Sin embargo, las neuronas individuales en los sistemas sensoriales generalmente se ven afectadas por solo un pequeño subconjunto del vasto espacio de todos los estímulos posibles. Por lo tanto, una comprensión adecuada de la transformación de entrada-salida representada por una célula dada requiere la identificación del subconjunto de estímulos que son relevantes para dar forma a la respuesta neuronal. Como extensión de la media activada por picos de uso común, el análisis de la matriz de covarianza activada por picos proporciona una metodología sistemática para detectar estímulos relevantes. Tal como se diseñó originalmente, la consistencia de este método está garantizada solo si los estímulos se extraen de una distribución gaussiana. Aquí presentamos una prueba geométrica de consistencia, que proporciona información sobre los fundamentos del método, en particular, sobre el papel crucial desempeñado por la geometría del espacio de estímulo y las simetrías en la relación estímulo-respuesta. Este enfoque conduce a una extensión natural de la aplicabilidad de la técnica de covarianza activada por picos a distribuciones arbitrarias de estímulos esféricos o elípticos. La extensión solo requiere una modificación sutil de la receta original. Además, presentamos un nuevo método de remuestreo para evaluar la significación estadística de los estímulos relevantes identificados, aplicable a las distribuciones de estímulos esféricos y elípticos. Finalmente, ejemplificamos el método modificado y lo comparamos con otras prescripciones dadas en la literatura.Files
      
        s10827-012-0411-y.pdf.pdf
        
      
    
    
      
        Files
         (1.3 MB)
        
      
    
    | Name | Size | Download all | 
|---|---|---|
| 
          
          md5:d69265428123d816a008d7d4b20b736e
           | 
        
        1.3 MB | Preview Download | 
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
 - التباين المشترك الناجم عن الارتفاع: الإثبات الهندسي، وخصائص التماثل، والتمديد خارج المحفزات الغاوسية
 - Translated title (French)
 - Covariance déclenchée par des pics : preuve géométrique, propriétés de symétrie et extension au-delà des stimuli gaussiens
 - Translated title (Spanish)
 - Covarianza desencadenada por picos: prueba geométrica, propiedades de simetría y extensión más allá de los estímulos gaussianos
 
Identifiers
- Other
 - https://openalex.org/W2155443738
 - DOI
 - 10.1007/s10827-012-0411-y
 
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W1500531877
 - https://openalex.org/W1613872962
 - https://openalex.org/W1898014694
 - https://openalex.org/W1964309659
 - https://openalex.org/W1975050461
 - https://openalex.org/W1979275115
 - https://openalex.org/W1983850176
 - https://openalex.org/W1985729129
 - https://openalex.org/W1989786687
 - https://openalex.org/W1996568471
 - https://openalex.org/W2003754619
 - https://openalex.org/W2016974911
 - https://openalex.org/W2019723923
 - https://openalex.org/W2023122743
 - https://openalex.org/W2025988651
 - https://openalex.org/W2029576161
 - https://openalex.org/W2031019611
 - https://openalex.org/W2046064811
 - https://openalex.org/W2047637126
 - https://openalex.org/W2058522416
 - https://openalex.org/W2069519142
 - https://openalex.org/W2074041755
 - https://openalex.org/W2075444547
 - https://openalex.org/W2095868797
 - https://openalex.org/W2108992228
 - https://openalex.org/W2111949358
 - https://openalex.org/W2113335883
 - https://openalex.org/W2114185957
 - https://openalex.org/W2114744983
 - https://openalex.org/W2116360511
 - https://openalex.org/W2116531552
 - https://openalex.org/W2119533571
 - https://openalex.org/W2122718953
 - https://openalex.org/W2125498357
 - https://openalex.org/W2125617977
 - https://openalex.org/W2127388521
 - https://openalex.org/W2131220353
 - https://openalex.org/W2135164608
 - https://openalex.org/W2144340823
 - https://openalex.org/W2145268430
 - https://openalex.org/W2147119735
 - https://openalex.org/W2149389068
 - https://openalex.org/W2154162339
 - https://openalex.org/W2159198041
 - https://openalex.org/W2163598552
 - https://openalex.org/W2167499516
 - https://openalex.org/W2168434104
 - https://openalex.org/W2169720294
 - https://openalex.org/W2169924703
 - https://openalex.org/W2212384750
 - https://openalex.org/W2293818804
 - https://openalex.org/W2338276864
 - https://openalex.org/W2604272474
 - https://openalex.org/W2887779481
 - https://openalex.org/W2999905431
 - https://openalex.org/W32139435
 - https://openalex.org/W4231637332
 - https://openalex.org/W4237981174
 - https://openalex.org/W4245474015