%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \chapter{\tr{Point processes}{Punktprozesse}} \begin{figure}[t] \texpicture{pointprocessscetchB} \caption{\label{pointprocessscetchfig}Ein Punktprozess ist eine Abfolge von Zeitpunkten $t_i$ die auch durch die Intervalle $T_i=t_{i+1}-t_i$ oder die Anzahl der Ereignisse $n_i$ beschrieben werden kann. } \end{figure} Ein zeitlicher Punktprozess ist ein stochastischer Prozess, der eine Abfolge von Ereignissen zu den Zeiten $\{t_i\}$, $t_i \in \reZ$, generiert. Jeder Punktprozess wird durch einen sich in der Zeit kontinuierlich entwickelnden Prozess generiert. Wann immer dieser Prozess eine Schwelle \"uberschreitet wird ein Ereigniss des Punktprozesses erzeugt. Zum Beispiel: \begin{itemize} \item Aktionspotentiale/Herzschlag: wird durch die Dynamik des Membranpotentials eines Neurons/Herzzelle erzeugt. \item Erdbeben: wird durch die Dynamik des Druckes zwischen tektonischen Platten auf beiden Seiten einer geologischen Verwerfung erzeugt. \item Zeitpunkt eines Grillen/Frosch/Vogelgesangs: wird durch die Dynamik des Nervensystems und des Muskelapparates erzeugt. \end{itemize} \begin{figure}[t] \includegraphics[width=1\textwidth]{rasterexamples} \caption{\label{rasterexamplesfig}Raster-Plot von jeweils 10 Realisierungen eines station\"arenen Punktprozesses (homogener Poisson Prozess mit Rate $\lambda=20$\;Hz, links) und eines nicht-station\"aren Punktprozesses (perfect integrate-and-fire Neuron getrieben mit Ohrnstein-Uhlenbeck Rauschen mit Zeitkonstante $\tau=100$\,ms, rechts).} \end{figure} F\"ur die Neurowissenschaften ist die Statistik der Punktprozesse besonders wichtig, da die Zeitpunkte der Aktionspotentiale als zeitlicher Punktprozess betrachtet werden k\"onnen und entscheidend f\"ur die Informations\"ubertragung sind. Bei Punktprozessen k\"onnen wir die Zeitpunkte $t_i$ ihres Auftretens, die Intervalle zwischen diesen Zeitpunkten $T_i=t_{i+1}-t_i$, sowie die Anzahl der Ereignisse $n_i$ bis zu einer bestimmten Zeit betrachten (\figref{pointprocessscetchfig}). Zwei Punktprozesse mit verschiedenen Eigenschaften sind in \figref{rasterexamplesfig} als Rasterplot dargestellt, bei dem die Zeitpunkte der Ereignisse durch senkrechte Striche markiert werden. %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \section{Intervallstatistik} Die Intervalle $T_i=t_{i+1}-t_i$ zwischen aufeinanderfolgenden Ereignissen sind reelle, positive Zahlen. Bei Aktionspotentialen (``Spikes'') heisen die Intervalle auch ``Interspikeintervalle''. Deren Statistik kann mit den \"ublichen Gr\"o{\ss}en beschrieben werden. \begin{figure}[t] \includegraphics[width=1\textwidth]{isihexamples}\hfill \caption{\label{isihexamplesfig}Interspikeintervall Histogramme der in \figref{rasterexamplesfig} gezeigten Spikes.} \end{figure} \subsection{Intervallstatistik erster Ordnung} \begin{itemize} \item Histogramm $p(T)$ der Intervalle $T$ (\figref{isihexamplesfig}). Normiert auf $\int_0^{\infty} p(T) \; dT = 1$. \item Mittleres Intervall $\mu_{ISI} = \langle T \rangle = \frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^n T_i$. \item Varianz der Intervalle $\sigma_{ISI}^2 = \langle (T - \langle T \rangle)^2 \rangle$\vspace{1ex} \item Variationskoeffizient (``Coefficient of variation'') $CV_{ISI} = \frac{\sigma_{ISI}}{\mu_{ISI}}$. \item Diffusions Koeffizient $D_{ISI} = \frac{\sigma_{ISI}^2}{2\mu_{ISI}^3}$. \end{itemize} \subsection{Korrelationen der Intervalle} In ``return maps'' werden die um das ``Lag'' $k$ verz\"ogerten Intervalle $T_{i+k}$ gegen die Intervalle $T_i$ geplottet. Dies macht m\"ogliche Abh\"angigkeiten von aufeinanderfolgenden Intervallen sichtbar. \begin{figure}[t] \includegraphics[width=1\textwidth]{returnmapexamples} \includegraphics[width=1\textwidth]{serialcorrexamples} \caption{\label{returnmapfig}Interspikeintervall return maps und serielle Korrelationen zwischen aufeinander folgenden Intervallen im Abstand des Lags $k$.} \end{figure} Solche Ab\"angigkeiten werden durch die serielle Korrelation der Intervalle quantifiziert. Das ist der Korrelationskoeffizient zwischen aufeinander folgenden Intervallen getrennt durch ``Lag'' $k$: \[ \rho_k = \frac{\langle (T_{i+k} - \langle T \rangle)(T_i - \langle T \rangle) \rangle}{\langle (T_i - \langle T \rangle)^2\rangle} = \frac{{\rm cov}(T_{i+k}, T_i)}{{\rm var}(T_i)} = {\rm corr}(T_{i+k}, T_i) \] \"Ublicherweise wird die Korrelation $\rho_k$ gegen den Lag $k$ aufgetragen (\figref{returnmapfig}). $\rho_0=1$ (Korrelation jedes Intervalls mit sich selber). %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \section{Z\"ahlstatistik} % \begin{figure}[t] % \includegraphics[width=0.48\textwidth]{poissoncounthist100hz10ms}\hfill % \includegraphics[width=0.48\textwidth]{poissoncounthist100hz100ms} % \caption{\label{countstatsfig}Count Statistik.} % \end{figure} Die Anzahl der Ereignisse $n_i$ in Zeifenstern $i$ der L\"ange $W$ ergeben ganzzahlige, positive Zufallsvariablen die meist durch folgende Sch\"atzer charakterisiert werden: \begin{itemize} \item Histogramm der counts $n_i$. \item Mittlere Anzahl von Ereignissen: $\mu_N = \langle n \rangle$. \item Varianz der Anzahl: $\sigma_n^2 = \langle (n - \langle n \rangle)^2 \rangle$. \item Fano Faktor (Varianz geteilt durch Mittelwert): $F = \frac{\sigma_n^2}{\mu_n}$. \end{itemize} Insbesondere ist die mittlere Rate der Ereignisse $r$ (``Spikes pro Zeit'', Feuerrate) gemessen in Hertz \[ r = \frac{\langle n \rangle}{W} \; . \] % \begin{figure}[t] % \begin{minipage}[t]{0.49\textwidth} % Poisson process $\lambda=100$\,Hz:\\ % \includegraphics[width=1\textwidth]{poissonfano100hz} % \end{minipage} % \hfill % \begin{minipage}[t]{0.49\textwidth} % LIF $I=10$, $\tau_{adapt}=100$\,ms:\\ % \includegraphics[width=1\textwidth]{lifadaptfano10-100ms} % \end{minipage} % \caption{\label{fanofig}Fano factor.} % \end{figure} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \section{Homogener Poisson Prozess} F\"ur kontinuierliche Me{\ss}gr\"o{\ss}en ist die Normalverteilung u.a. wegen dem Zentralen Grenzwertsatz die Standardverteilung. Eine \"ahnliche Rolle spilet bei Punktprozessen der ``Poisson Prozess''. Beim homogenen Poisson Prozess treten Ereignisse mit einer festen Rate $\lambda=\text{const.}$ auf und sind unabh\"angig von der Zeit $t$ und unabh\"angig von den Zeitpunkten fr\"uherer Ereignisse (\figref{hompoissonfig}). Die Wahrscheinlichkeit zu irgendeiner Zeit ein Ereigniss in einem kleinen Zeitfenster der Breite $\Delta t$ zu bekommen ist \[ P = \lambda \cdot \Delta t \; . \] Beim inhomogenen Poisson Prozess h\"angt die Rate $\lambda$ von der Zeit ab: $\lambda = \lambda(t)$. \begin{figure}[t] \includegraphics[width=1\textwidth]{poissonraster100hz} \caption{\label{hompoissonfig}Rasterplot von Spikes eines homogenen Poisson Prozesses mit $\lambda=100$\,Hz.} \end{figure} \begin{figure}[t] \includegraphics[width=0.45\textwidth]{poissonisihexp20hz}\hfill \includegraphics[width=0.45\textwidth]{poissonisihexp100hz} \caption{\label{hompoissonisihfig}Interspikeintervallverteilungen zweier Poissonprozesse.} \end{figure} Der homogne Poissonprozess hat folgende Eigenschaften: \begin{itemize} \item Die Intervalle $T$ sind exponentiell verteilt: $p(T) = \lambda e^{-\lambda T}$ (\figref{hompoissonisihfig}). \item Das mittlere Intervall ist $\mu_{ISI} = \frac{1}{\lambda}$ . \item Die Varianz der Intervalle ist $\sigma_{ISI}^2 = \frac{1}{\lambda^2}$ . \item Der Variationskoeffizient ist also immer $CV_{ISI} = 1$ . \item Die seriellen Korrelationen $\rho_k =0$ f\"ur $k>0$, da das Auftreten der Ereignisse unabh\"angig von der Vorgeschichte ist. Ein solcher Prozess wird auch Erneuerungsprozess genannt (``renewal process''). \item Die Anzahl der Ereignisse $k$ innerhalb eines Fensters der L\"ange W ist Poissonverteilt: \[ P(k) = \frac{(\lambda W)^ke^{\lambda W}}{k!} \] (\figref{hompoissoncountfig}) \item Der Fano Faktor ist immer $F=1$ . \end{itemize} \begin{figure}[t] \includegraphics[width=0.48\textwidth]{poissoncounthistdist100hz10ms}\hfill \includegraphics[width=0.48\textwidth]{poissoncounthistdist100hz100ms} \caption{\label{hompoissoncountfig}Z\"ahlstatistik von Poisson Spikes.} \end{figure}