split plotting_spike trains. add spike trains as new chapter

programming/lectures/plotting_spike_trains.tex

@@ -1,643 +0,0 @@
-\documentclass{beamer}
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-
-%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
-\mode<presentation>
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-  \usetheme{Singapore}
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-
-\AtBeginSection[]
-{
-  \begin{frame}<beamer>
-    \begin{center}
-      \Huge \insertsectionhead
-    \end{center}
-    % \frametitle{\insertsectionhead}
-    % \tableofcontents[currentsection,hideothersubsections]
-  \end{frame}
-}
-%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%5
-
-\setbeamertemplate{blocks}[rounded][shadow=true]
-
-\title[]{Scientific Computing -- Grundlagen der Programmierung }
-\author[]{Jan Grewe\\Abteilung f\"ur Neuroethologie\\
-  Universit\"at T\"ubingen}
-
-\institute[Wissenschaftliche Datenverarbeitung]{}
- \date{12.10.2015 - 06.11.2015}
- %\logo{\pgfuseimage{../../resources/UT_BM_Rot_RGB.pdf}}
-
-\subject{Einf\"uhrung in die wissenschaftliche Datenverarbeitung}
-\vspace{1em}
-\titlegraphic{
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-}
-%%%%%%%%%% configuration for code
-\lstset{
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-%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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-\newcommand{\code}[1]{\texttt{#1}}
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- 
-\begin{document} 
-
-\begin{frame}[plain]
-  \frametitle{}
-  \vspace{-1cm}
-  \titlepage % erzeugt Titelseite
-\end{frame}
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Grundlagen der Programmierung}
-  \frametitle{Tagesmen\"u}
-  \begin{enumerate}
-  \item Graphische Darstellung von Daten
-  \item Spiketrain Analyse
-  \end{enumerate}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}[plain]
-  \huge{1. Graphische Darstellung von Daten}\pause
-  \begin{figure}
-    \includegraphics[width=0.9\columnwidth]{images/convincing}
-  \end{figure}
-\end{frame}
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Graphische Darstellung von Daten}
-  \framesubtitle{Was soll ein Datenplot erreichen?}
-
-  \begin{itemize}
-  \item Ist eine m\"oglichst neutrale Darstellung der Daten.
-  \item Soll dem Leser die Daten greifbar machen und die Aussagen der
-    Analyse darstellen.
-  \item Erlaubt dem Leser die gezeigten Effekte selbst zu beguachten
-    und zu validieren.
-  \item Muss vollst\"andig annotiert sein.
-  \item Folgt dem Prinzip der \textbf{ink minimization}. (Das
-    Verh\"altnis aus Tinte, die f\"ur die Darstellung der Daten
-    gebraucht wird und der Menge Tinte, die f\"ur die Graphik
-    ben\"otigt wird sollte m\"oglichst gro{\ss} sein )
-  \end{itemize}
-\end{frame}
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Graphische Darstellung von Daten}
-  \framesubtitle{Was sollte vermieden werden?}
-  
-  \begin{itemize}
-  \item Suggestive oder gar fehlleitende Darstellung.
-  \item Ablenkung durch unruhige oder \"uberm\"a{\ss}ige Effekte.
-  \item Comicartige Effekte...
-  \end{itemize}\pause
-  \begin{figure}
-    \includegraphics[width=0.35\columnwidth]{images/one_d_problem_c}
-  \end{figure}\pause
-  ... aus{\ss}er sie werden rein zur Illustration benutzt ohne einen
-  Anspruch auf Richtigkeit zu erheben.
-\end{frame}
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Graphische Darstellung von Daten}
-  \framesubtitle{Suboptimale Beispiele}
-  \only <1> {
-    \begin{figure}
-      \includegraphics[width=0.5\columnwidth]{images/nobelbad}
-    \end{figure}
-    \vspace{0.25cm}
-    Aus Hafting et al., Nature, 2005
-  }
-  \only <2> {
-    \begin{figure}
-      \includegraphics[width=0.7\columnwidth]{images/misleading_pie}
-    \end{figure}
-    \vspace{0.5cm}
-    \url{https://en.wikipedia.org/wiki/Misleading_graph}
-  }
-  \only <3> {
-    \begin{figure}
-      \includegraphics[width=0.7\columnwidth]{images/sample_pie}
-    \end{figure}
-    \vspace{0.5cm}
-    \url{https://en.wikipedia.org/wiki/Misleading_graph}
-  }
-  \only <4> {
-    \begin{figure}
-      \includegraphics[width=0.3\columnwidth]{images/badbarright}
-    \end{figure}
-    \vspace{0.5cm}
-    \url{https://en.wikipedia.org/wiki/Misleading_graph}
-  }
-  \only <5> {
-    \begin{figure}
-      \includegraphics[width=0.3\columnwidth]{images/badbarleft}
-    \end{figure}
-    \vspace{0.5cm}
-    \url{https://en.wikipedia.org/wiki/Misleading_graph}
-  }
-  \only <6> {
-    \begin{figure}
-      \includegraphics[width=0.8\columnwidth]{images/badbarplot}
-    \end{figure}
-    \vspace{0.5cm}
-    \url{https://en.wikipedia.org/wiki/Misleading_graph}
-  }
-  \only <7> {
-    Wahl der Zeichenfl\"ache kann den visuellen Eindruck beeinflu{\ss}en.
-    \begin{columns}
-      \begin{column}{4.cm}
-        \begin{figure}
-          \includegraphics[width=0.7\columnwidth]{images/line_graph1}
-        \end{figure}
-      \end{column}
-
-      \begin{column}{4.cm}
-        \begin{figure}
-          \includegraphics[width=0.7\columnwidth]{images/line_graph1_3}
-        \end{figure}
-      \end{column}
-
-      \begin{column}{4.cm}
-        \begin{figure}
-          \includegraphics[width=0.7\columnwidth]{images/line_graph1_4}
-        \end{figure}
-      \end{column}
-    \end{columns}
-    \vspace{0.5cm}
-    \url{https://en.wikipedia.org/wiki/Misleading_graph}
-  }
-    \only <8> {
-     Vorsicht bei der Skalierung von Symbolen!
-    \begin{columns}
-      \begin{column}{4.cm}
-        \begin{figure}
-          \includegraphics[width=0.7\columnwidth]{images/improperly_scaled_graph}
-        \end{figure}
-      \end{column}
-
-      \begin{column}{4.cm}
-        \begin{figure}
-          \includegraphics[width=0.7\columnwidth]{images/properly_scaled_graph}
-        \end{figure}
-      \end{column}
-
-      \begin{column}{4.cm}
-        \begin{figure}
-          \includegraphics[width=0.7\columnwidth]{images/comparison_properly_improperly_graph}
-        \end{figure}
-      \end{column}
-    \end{columns}
-    \vspace{0.5cm}
-    \url{https://en.wikipedia.org/wiki/Misleading_graph}
-   }
-\end{frame}
-
-\begin{frame}[fragile]
-  \frametitle{Graphische Darstellung von Daten}
-  \framesubtitle{Plotting Interfaces in Matlab}
-  Es gibt zwei Wege Graphen zu bearbeiten:
-  \begin{enumerate}
-  \item Interaktiv \"uber das \textit{graphische User Interface}\pause
-  \item Die Kommandozeile bzw. in Skripten und Funktionen.\pause
-  \end{enumerate}
-  Beides hat seine Berechtigung und seine eigenen Vor- und Nachteile. Welche?
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Graphische Darstellung von Daten}
-  \framesubtitle{Ver\"anderung des Graphen \"uber die Kommandozeile}
-  \begin{itemize}
-  \item Erstellt ein Skript, dass einen Plot erstellt.
-  \item Dieser soll zwei Sinus unterschiedlicher Frequenz darstellen.
-  \end{itemize}
-  Wir werden jetzt die Kommandozeil bzw. das Skript verbessern um den
-  Plot ``sch\"oner'' zu machen.
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Graphische Darstellung von Daten}
-  \framesubtitle{Ver\"anderung des Graphen \"uber die Kommandozeile}
-  \begin{enumerate}
-  \item Einstellungen der Linienplots:
-    \begin{itemize}
-    \item St\"arke und Farbe.
-    \item Linienstil, Marker.
-    \end{itemize}\pause
-  \item Achsbeschriftung:
-    \begin{itemize}
-    \item \code{xlabel}, \code{ylabel}.
-    \item Schriftart und Gr\"o{\ss}e.
-    \end{itemize}\pause
-  \item Achsenskalierung und Ticks:
-    \begin{itemize}
-    \item Skalierung der Achsen (Minumum und Maxmimum, logarithmisch oder linear).
-    \item Manuelles Setzen der Ticks, ihrer Richtung und Beschriftung.
-    \item Grid or no Grid?
-    \end{itemize}\pause
-  \item Setzen von globalen Parametern:
-    \begin{itemize}
-    \item Einstellung der Papiergr\"o{\ss}e und plzieren der
-      Zeichenfl\"ache.
-    \item Box oder nicht?
-    \item Speichern der Abbildung als pdf.      
-    \end{itemize}
-  \end{enumerate}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame} [fragile]
- \frametitle{Graphische Darstellung von Daten}
- \framesubtitle{Ver\"andern von Eigenschaften \"uber die Kommandozeile}
- \vspace{-0.75em}
- \scriptsize
-  \begin{lstlisting}
-fig = figure();
-set(gcf, 'PaperUnits', 'centimeters', 'PaperSize', [11.7 9.0]);
-set(gcf, 'PaperPosition',[0.0 0.0 11.7 9.0], 'Color', 'white')
-hold on
-plot(time, neuronal_data, 'color', [ 0.2 0.5 0.7], 'linewidth', 1.)
-plot(spike_times, ones(size(spike_times))*threshold, 'ro', 'markersize', 4)
-line([time(1) time(end)], [threshold threshold], 'linestyle', '--',
-    'linewidth', 0.75, 'color', [0.9 0.9 0.9])
-ylim([0 35])
-xlim([0 2.25])
-box('off')
-xlabel('time [s]', 'fontname', 'MyriadPro-Regular', 'fontsize', 10)
-ylabel('potential [mV]', 'fontname', 'MyriadPro-Regular', 'fontsize', 10)
-title('pyramidal cell', 'fontname', 'MyriadPro-Regular', 'fontsize', 12)
-set(gca, 'TickDir','out', 'linewidth', 1.5, 'fontname', 'MyriadPro-Regular')
-saveas(fig, 'spike_detection.pdf', 'pdf')
-\end{lstlisting}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame} [fragile]
- \frametitle{Graphische Darstellung von Daten}
- \framesubtitle{Ver\"andern von Eigenschaften \"uber die Kommandozeile}
-     \begin{figure}
-      \centering
-      \includegraphics[width=0.75\columnwidth]{./images/spike_detection}
-    \end{figure}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame} [fragile]
- \frametitle{Graphische Darstellung von Daten}
- \framesubtitle{Welche Art Plot wof\"ur?}
- \url{http://www.mathworks.de/discovery/gallery.html}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame} [fragile]
- \frametitle{Graphische Darstellung von Daten}
- \framesubtitle{Was macht einen guten Abbildung aus?}
- \begin{enumerate}
- \item Klarheit.
- \item Vollstaendige Beschriftung.
- \item Deutliche Unterscheidbarkeit von Kurven.
- \item Keine suggestive Darstellung. 
- \item Ausgewogenheit von Linienst\"arken Schrift- und Plotgr\"o{\ss}e.
- \item Fehlerbalken, wenn sie angebracht sind.
- \end{enumerate}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}[plain]
-\huge{2. Spiketrain Analyse}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Rasterplot}
-  \begin{figure}
-    \centering
-    \includegraphics[width=0.375\columnwidth]{images/rasterplot}
-  \end{figure}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Rasterplot}
-  \"Ubung:
-  \begin{enumerate}
-  \item Ladet die Datei: \code{lifoustim.mat} aus dem
-    Ilias Ordner.
-  \item Der Datensatz enth\"alt die Zeiten von Aktionspotentialen.
-  \item Erzeugt einen sch\"onen Rasterplot der Zellantworten, speichert ihn.
-  \item Welche Information liefert er, welche Information ist schwer
-    abzulesen?
-  \end{enumerate}
-\end{frame}
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Zeitabh\"angige Feuerrate, PSTH} 
-  
-  Darstellung der Feurreate eines Neuron als Funktion der Zeit. Es
-  gibt verschiedene Methoden dieses \textbf{P}eri \textbf{S}timulus
-  \textbf{T}ime \textbf{H}istogram zu erstellen.
-  \begin{enumerate}
-  \item Auf Basis der \textit{instantanen} Feuerrate.
-  \item Auf Basis des Zeithistogramms.
-  \item Durch Faltung der Zellantwort mit einem Gauss Kern.
-  \end{enumerate}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Zeitabh\"angige Feuerrate, PSTH --- Instantane Feuerrate ---}
-  \Large{Berechnung des PSTHs durch die Instantane Feurerrate:}
-  \normalsize
-  \begin{enumerate}
-  \item Die Feuerrate kann aus dem Abstand zwischen zwei
-    aufeinanderfolgenden Aktionspotentialen
-    (\textbf{Interspikeinterval}) berechnet werden. \pause
-  \item Die \textbf{Instantane Feuerrate} wird aus dem Kehrwert des
-    Interspikeintervals berechnet.
-  \end{enumerate}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Zeitabh\"angige Feuerrate, PSTH --- Instantane Feuerrate ---}
-  \begin{figure}
-    \centering
-    \includegraphics[width=0.9\columnwidth]{images/instantaneous_rate}
-  \end{figure}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Zeitabh\"angige Feuerrate, PSTH --- Instantane Feuerrate ---}
-  Berechnung des PSTHs durch die Instantane Feurerrate:
-  \textbf{Vorteile:}
-
-  \begin{enumerate}
-  \item Sehr einfach zu Berechnen.
-  \item Macht keine Annahmen \"uber ein Zeitraster, oder die Zeitskala
-    der neuronalen Verarbeitung.
-  \end{enumerate}
-
-  \textbf{Nachteile:}
-  \begin{enumerate}
-  \item Die Feuerrate ist nie null, auch wenn f\"ur lange Zeit kein
-    Aktionspotential auftritt.
-  \item Verh\"alt sich im Fourrier Raum nicht sehr sch\"on.
-  \end{enumerate}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Zeitabh\"angige Feuerrate, PSTH --- Binning Methode ---}
-  \Large{Binning Methode:}
-  \normalsize
-  \begin{enumerate}
-  \item Die Zeitachse wird in gleich gro{\ss}e Abschnitte ``bins''
-    unterteilt.
-  \item F\"ur jedes ``bin'' wird die Anzahl vorkommender
-    Aktionspotentiale gez\"ahlt.
-  \item Der Spike-count pro bin muss nun noch in die Rate umgerechnet
-    werden.
-  \end{enumerate}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Zeitabh\"angige Feuerrate, PSTH --- Binning Methode ---}
-  \begin{figure}
-    \includegraphics[width=0.9\columnwidth]{images/binned_rate}
-  \end{figure}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Zeitabh\"angige Feuerrate, PSTH --- Binning Methode ---}
-
-  Berechnung des PSTHs durch die Binning Methode:
-
-  \textbf{Vorteile:}
-  \begin{enumerate}
-  \item Sehr einfach zu Berechnen.
-  \item Zeigt nur da Aktivit\"at an, wo auch Aktionspotentiale
-    generiert wurden.
-  \end{enumerate}
-
-  \textbf{Nachteile:}
-  \begin{enumerate}
-  \item Mach Annahmen \"uber die relevante Zeitskala neuronaler
-    Verarbeitung.
-  \item Die Zeitachse wird diskretisiert.
-  \item Verh\"alt sich im Fourrier Raum nicht sehr sch\"on.
-  \end{enumerate}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}[fragile]
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Zeitabh\"angige Feuerrate, PSTH --- Faltungsmethode ---}
-  \Large{Faltung mit einem Gauss Kern:}
-  \normalsize
-  \[r_{est}(t) = \int_{-\infty}^{\infty}d\tau \omega(\tau)\rho(t-\tau) \]
-
-  wobei $\omega(\tau)$ der Gauss Kern und $\rho(t)$ die Antwortfunktion ist.
-  
-  Gl\"ucklicherweise m\"ussen wir das nicht selbst implementieren... 
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}[fragile]
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Zeitabh\"angige Feuerrate, PSTH --- Faltungsmethode ---}
-  \large Algortihmus:
-  \normalsize
-  \begin{enumerate}
-  \item Die neuronalen Antworten werden  ``bin\"ar'' ausgedr\"uckt.
-  \item Ein Filterkern wird berechnet, der das Integral 1 hat.
-  \item Mithilfe der Faltung (\code{conv} Funktion) wird jede 1 durch
-    den ``Kern'' ersetzt.\\
-    \code{conv(x, kern, 'mode', 'same')}
-  \end{enumerate}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Feurerrate als Funktion der Zeit --- Faltungsmethode ---}
-  \begin{figure}
-    \includegraphics[width=0.9\columnwidth]{images/convolved_rate}
-  \end{figure}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Feurerrate als Funktion der Zeit --- Faltungsmethode ---}
-  \textbf{Vorteile:}
-  \begin{enumerate}
-  \item Sehr ``nat\"urliche'' erscheinende Darstellung.
-  \item Sehr gutes Verhalten im Fourrier Raum.
-  \end{enumerate}
-  
-  \textbf{Nachteile:}
-  \begin{enumerate}
-  \item Relativ rechenintensiv.
-  \item Macht Annahmen \"uber die Zeitskalen neuronaler Verarbeitung.
-  \end{enumerate}
-\end{frame}
-
-\begin{frame}[plain]
-  \huge{3. Analyse der Beziehung zwischen Stimulus und Antwort}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}[fragile]
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Spike-Triggered-Average}
-  \begin{itemize}
-  \item[] Die Antworten darzustellen ist gut und sch\"on, aber was sagt es uns?\pause
-  \item[] Idealerweise wollen wir die Antworten in Beziehung zum
-    hervorrufenden Stimulus setzen.
-  \item[] Eine Methode ist der sogenannte \textbf{Spike-Triggered-Average} (STA).
-  \end{itemize}
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}[fragile]
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Spike-Triggered-Average}
-  
-  Der STA stellt den (mittleren) Stimulus dar, der zu einem
-  Aktionspotential gef\"uhrt hat:
-
-  \begin{equation}
-    STA(\tau) = \frac{1}{\langle n \rangle} \left\langle  \displaystyle\sum_{i=1}^{n}{s(t_i - \tau)} \right\rangle
-  \end{equation}
-  Wobei: $\tau$ ist eine bestimmte Zeit relativ zur Zeit eines
-  Aktionspotentials, $t_i$ ist der Zeitpunkt eines APs, $s(t)$ ist der
-  Stimulus.\\
-
-  Leider m\"ussen wir das selbst implementieren...
-\end{frame}
-
-
-\begin{frame}[fragile]
-   \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Spike-Triggered-Average}
-  \large{Algorithmus:}
-  \normalsize
-  \begin{enumerate}
-  \item Der \textbf{STA} ist der mittlere Stimulus, der zu einem Aktionspotential f\"uhrt. 
-  \item F\"ur jeden Spike wird ein entsprechender Abschnitt um die Zeit des Spikes herausgeschnitten.
-  \item Die einzelen Stimulussegmente werden gemittelt.
-  \end{enumerate}\pause
-  \begin{figure}
-    \centering
-    \includegraphics[width=0.5\columnwidth]{images/sta}
-  \end{figure}
-\end{frame}
-
-\begin{frame}[fragile] 
-  \frametitle{Spiketrain Analyse}
-  \framesubtitle{Spike-Triggered-Average}
-  \vspace{-1em}
-  \begin{figure}
-    \centering
-    \includegraphics[width=0.6\columnwidth]{images/sta}
-  \end{figure}
-  \pause
-  \vspace{-0.5em}
-  Welche Information liefert der \textbf{STA}?
-  \small
-  \begin{enumerate}
-  \item Gibt es eine Beziehung zwischen Stimulus und Antwort?\pause
-  \item Gibt es eine Verz\"ogerung zwischen Stimulus und Antwort? Wie
-    gro{\ss} ist diese?\pause
-  \item Wie weit h\"angt das Auftreten eines Aktionspotentials von der
-    Vergangenheit ab? \pause
-  \item Kann die Zelle in die Zukunft sehen?
-  \end{enumerate}
-\end{frame}
-
-\end{document}
-
-
-
-\begin{frame} [fragile]
- \frametitle{Spiketrain Analyse}
- \framesubtitle{\"Ubung}
- \begin{enumerate}
- \item Berechnet die Feuerrate eines Neurons mit einer der drei Methoden.
- \item Die Abbildung soll f\"ur eine einspaltige Abbildung im
-   \textit{Journal of Neuroscience} geeignet sein
-   (\url{http://www.jneurosci.org/site/misc/ifa_illustrations.xhtml}).
- \item Erzeugt/ver\"andert/erweitert das Programm zum plotten so, dass
-   die Abbildung automatisch erstellt und gespeichert wird.
- \item Speichert die Abbildung als pdf.
- \item Ladet den Stimulus aus dem Ilias Ordner und benutzt die
-   \verb+subplot+ Funktion um den Stimulus zu der neuronalen
-   Aktivit\"at zu plotten.
- \end{enumerate}
-\end{frame}