General Framework for Tracking Neural Activity Over Long-Term Extracellular Recordings
Creators
- 1. University of Buenos Aires
- 2. University of Leicester
Description
Abstract The recent advances in the chronic implantation of electrodes have allowed the collection of extracellular activity from neurons over long periods of time. To fully take advantage of these recordings, it is necessary to track single neurons continuously, particularly when their associated waveform changes with time. Multiple spike sorting algorithms can track drifting neurons but they do not perform well in conditions like a temporary increase in the noise level, sparsely firing neurons, and changes in the number of detectable neurons. In this work, we present Spikes_Link, a general framework to track neurons under these conditions. Spikes_Link can be implemented with different spike sorting algorithms, allowing the experimenter to use the algorithm best fitted to their recording setup. The main idea behind Spikes_Link is the blockwise analysis of the recording using overlapping sets of spikes to equally represent all the putative neurons being tracked on a given block. This way, we can link classes with clusters obtained in a new block based on an overlapping metric. Moreover, the algorithm can fix temporary sorting errors (splits and merges). We compared an implementation of Spikes_Link with other algorithms using long-term simulations and obtained superior performance in all the metrics. In general, the Spikes_Link framework could be used for other clustering problems with concept drift and class imbalance.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الخلاصة سمحت التطورات الحديثة في الزرع المزمن للأقطاب الكهربائية بجمع النشاط خارج الخلية من الخلايا العصبية على مدى فترات طويلة من الزمن. للاستفادة الكاملة من هذه التسجيلات، من الضروري تتبع الخلايا العصبية المفردة باستمرار، خاصة عندما يتغير الشكل الموجي المرتبط بها مع مرور الوقت. يمكن لخوارزميات فرز المسامير المتعددة تتبع الخلايا العصبية المنجرفة لكنها لا تعمل بشكل جيد في ظروف مثل الزيادة المؤقتة في مستوى الضوضاء، وإطلاق الخلايا العصبية بشكل متناثر، والتغيرات في عدد الخلايا العصبية التي يمكن اكتشافها. في هذا العمل، نقدم Spikes_Link، وهو إطار عام لتتبع الخلايا العصبية في ظل هذه الظروف. يمكن تنفيذ Spikes_Link باستخدام خوارزميات فرز مختلفة، مما يسمح للمختبر باستخدام الخوارزمية الأفضل ملاءمة لإعداد التسجيل الخاص به. الفكرة الرئيسية وراء Spikes_Link هي التحليل الكتلي للتسجيل باستخدام مجموعات متداخلة من المسامير لتمثيل جميع الخلايا العصبية المفترضة التي يتم تتبعها على كتلة معينة بالتساوي. وبهذه الطريقة، يمكننا ربط الفئات بالمجموعات التي تم الحصول عليها في كتلة جديدة بناءً على مقياس متداخل. علاوة على ذلك، يمكن للخوارزمية إصلاح أخطاء الفرز المؤقتة (الانقسام والاندماج). قارنا تنفيذ Spikes_Link مع خوارزميات أخرى باستخدام محاكاة طويلة الأجل وحصلنا على أداء متفوق في جميع المقاييس. بشكل عام، يمكن استخدام إطار Spikes_Link لمشاكل التجميع الأخرى مع انحراف المفهوم واختلال التوازن الطبقي.Translated Description (French)
Résumé Les progrès récents dans l'implantation chronique d'électrodes ont permis la collecte de l'activité extracellulaire des neurones sur de longues périodes de temps. Pour profiter pleinement de ces enregistrements, il est nécessaire de suivre en continu les neurones uniques, en particulier lorsque leur forme d'onde associée change avec le temps. Plusieurs algorithmes de tri de pointes peuvent suivre les neurones à la dérive, mais ils ne fonctionnent pas bien dans des conditions telles qu'une augmentation temporaire du niveau de bruit, des neurones à déclenchement clairsemé et des changements dans le nombre de neurones détectables. Dans ce travail, nous présentons Spikes_Link, un cadre général pour suivre les neurones dans ces conditions. Spikes_Link peut être implémenté avec différents algorithmes de tri de pics, permettant à l'expérimentateur d'utiliser l'algorithme le mieux adapté à sa configuration d'enregistrement. L'idée principale derrière Spikes_Link est l'analyse par bloc de l'enregistrement en utilisant des ensembles de pointes qui se chevauchent pour représenter de manière égale tous les neurones présumés suivis sur un bloc donné. De cette façon, nous pouvons lier des classes avec des clusters obtenus dans un nouveau bloc sur la base d'une métrique qui se chevauche. De plus, l'algorithme peut corriger des erreurs de tri temporaires (scissions et fusions). Nous avons comparé une implémentation de Spikes_Link avec d'autres algorithmes en utilisant des simulations à long terme et obtenu des performances supérieures dans toutes les métriques. En général, le cadre Spikes_Link pourrait être utilisé pour d'autres problèmes de regroupement avec dérive de concept et déséquilibre de classe.Translated Description (Spanish)
Resumen Los recientes avances en la implantación crónica de electrodos han permitido la recolección de la actividad extracelular de las neuronas durante largos períodos de tiempo. Para aprovechar al máximo estos registros, es necesario realizar un seguimiento continuo de las neuronas individuales, especialmente cuando su forma de onda asociada cambia con el tiempo. Múltiples algoritmos de clasificación de picos pueden rastrear neuronas a la deriva, pero no funcionan bien en condiciones como un aumento temporal en el nivel de ruido, disparos escasos de neuronas y cambios en el número de neuronas detectables. En este trabajo, presentamos Spikes_Link, un marco general para rastrear neuronas en estas condiciones. Spikes_Link se puede implementar con diferentes algoritmos de clasificación de picos, lo que permite al experimentador utilizar el algoritmo que mejor se adapte a su configuración de grabación. La idea principal detrás de Spikes_Link es el análisis por bloques de la grabación utilizando conjuntos superpuestos de picos para representar por igual todas las neuronas putativas que se rastrean en un bloque determinado. De esta manera, podemos vincular clases con clústeres obtenidos en un nuevo bloque en función de una métrica superpuesta. Además, el algoritmo puede corregir errores de clasificación temporales (divisiones y fusiones). Comparamos una implementación de Spikes_Link con otros algoritmos utilizando simulaciones a largo plazo y obtuvimos un rendimiento superior en todas las métricas. En general, el marco Spikes_Link podría usarse para otros problemas de agrupamiento con deriva de conceptos y desequilibrio de clases.Files
      
        2020.02.11.944686.full.pdf.pdf
        
      
    
    
      
        Files
         (4.0 MB)
        
      
    
    | Name | Size | Download all | 
|---|---|---|
| md5:d6787dca07f3075a85976a0748aa7da4 | 4.0 MB | Preview Download | 
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- الإطار العام لتتبع النشاط العصبي عبر التسجيلات طويلة الأجل خارج الخلية
- Translated title (French)
- Cadre général pour le suivi de l'activité neuronale sur les enregistrements extracellulaires à long terme
- Translated title (Spanish)
- Marco general para el seguimiento de la actividad neuronal a través de grabaciones extracelulares a largo plazo
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3006128896
- DOI
- 10.1101/2020.02.11.944686
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W1980435364
- https://openalex.org/W1981673584
- https://openalex.org/W1987776251
- https://openalex.org/W2003272185
- https://openalex.org/W2006255103
- https://openalex.org/W2021417436
- https://openalex.org/W2021657336
- https://openalex.org/W2028429148
- https://openalex.org/W2049210328
- https://openalex.org/W2052401197
- https://openalex.org/W2094198617
- https://openalex.org/W2095504054
- https://openalex.org/W2106728226
- https://openalex.org/W2109964623
- https://openalex.org/W2110061679
- https://openalex.org/W2112002552
- https://openalex.org/W2120227904
- https://openalex.org/W2139481898
- https://openalex.org/W2146679346
- https://openalex.org/W2148143831
- https://openalex.org/W2150013393
- https://openalex.org/W2153797517
- https://openalex.org/W2220956551
- https://openalex.org/W2560839866
- https://openalex.org/W2577948325
- https://openalex.org/W2580757382
- https://openalex.org/W2591673237
- https://openalex.org/W2756375591
- https://openalex.org/W2770359589
- https://openalex.org/W2791680029
- https://openalex.org/W2875003334
- https://openalex.org/W2920339115
- https://openalex.org/W2920961916
- https://openalex.org/W2950141843
- https://openalex.org/W2950543629
- https://openalex.org/W2951572643
- https://openalex.org/W2953085940