\documentclass[12pt,a4paper,pdftex]{exam} \newcommand{\exercisetopic}{Point Processes} \newcommand{\exercisenum}{X2} \newcommand{\exercisedate}{January 19th, 2021} \input{../../exercisesheader} \firstpagefooter{Prof. Dr. Jan Benda}{}{jan.benda@uni-tuebingen.de} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \begin{document} \input{../../exercisestitle} \begin{questions} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \question \qt{Homogener Poisson Prozess} Wir wollen den homogenen Poisson Prozess benutzen um Spikes zu generieren, mit denen wir die Analysfunktionen des vorherigen \"Ubungszettel \"uberpr\"ufen k\"onnen. Ein homogener Poisson Prozess mit der Rate $\lambda$ (gemessen in Hertz) ist ein Punktprozess, bei dem die Wahrschienlichkeit eines Ereignisses unabh\"angig von der Zeit $t$ und unabh\"angig von vorherigen Ereignissen ist. Die Wahrscheinlichkeit $P$ eines Ereignisses innerhalb eines Bins der Breite $\Delta t$ ist \[ P = \lambda \cdot \Delta t \] f\"ur gen\"ugend kleine $\Delta t$. \begin{parts} \part Schreibe eine Funktion die $n$ homogene Poisson Spiketrains einer gegebenen Dauer $T_{max}$ mit Rate $\lambda$ erzeugt. \begin{solution} \lstinputlisting{hompoissonspikes.m} \end{solution} \part Benutze diese Funktion um einige Trials von Spikes zu erzeugen und plotte diese als Spikeraster. \begin{solution} \begin{lstlisting} spikes = hompoissonspikes( 10, 100.0, 0.5 ); spikeraster( spikes ) \end{lstlisting} \mbox{}\\[-3ex] \colorbox{white}{\includegraphics[width=0.7\textwidth]{poissonraster100hz}} \end{solution} \part Berechne Histogramme aus den Interspikeintervallen von $n$ Poisson Spiketrains mit der Rate $\lambda=100$\,Hz. Ver\"andere \"uber die Dauer $T_{max}$ der Spiketrains und die Anzahl $n$ der Trials die Anzahl der Intervalle und ver\"andere auch die Binbreite des Histograms (fang mit 1\,ms an). Wieviele Interspikeintervalle werden ben\"otigt, um ein ``sch\"ones'' Histogramm zu erhalten? Wie lange m\"usste man also von dem Neuron ableiten? \begin{solution} About 5000 intervals for 25 bins. This corresponds to a $5000 / 100\,\hertz = 50\,\second$ recording of a neuron firing with 100\,\hertz. \end{solution} \part Vergleiche Interspike-Intervall Histogramme von Poisson-Spikes verschiedener Raten $\lambda$ mit der theoretisch zu erwartenden Verteilung der Intervalle $T$ des Poisson Prozesses \[ p(T) = \lambda e^{-\lambda T} \; .\] \begin{solution} \lstinputlisting{hompoissonisih.m} \colorbox{white}{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{poissonisih100hz}} \colorbox{white}{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{poissonisih20hz}} \end{solution} \part \extra Was pasiert mit den Histogrammen, wenn die Binbreite der Histogramme kleiner als das bei der Erzeugung der Poisson Spiketrains verwendete $\Delta t$ ist? \begin{solution} Die Bins zwischen der durch $\Delta t$ vorgegebenen Diskretisierung haben den Wert 0. Dadurch werden aber die anderen durch die Normierung h\"oher als sie sein sollten. \end{solution} \part Plotte den Mittelwert der Interspikeintervalle, die dazugeh\"orige Standardabweichung und den Variationskoeffizienten als Funktion der Rate $\lambda$ des Poisson Prozesses. Vergleiche die Ergebnisse mit den theoretischen Erwartungen (siehe Vorlesungsskript). \begin{solution} \lstinputlisting{hompoissonisistats.m} \colorbox{white}{\includegraphics[width=0.98\textwidth]{poissonisistats}} \end{solution} \part Plotte die seriellen Korrelationen von Poisson-Spiketrains und erkl\"are kurz das Ergebniss. \begin{solution} \mbox{}\\[-2ex]\hspace*{2cm} \colorbox{white}{\includegraphics[width=0.8\textwidth]{poissonserial100hz}}\\ Alle Korrelationen zwischen Interspikeintervallen sind Null, da beim Poisson Prozess das Auftreten jedes Spikes unabh\"angig von den vorherigen Spikes ist. \end{solution} \part Vergleiche Histogramme von Spikecounts gez\"ahlt in Fenstern der Breite $W$ mit der Poisson Verteilung \[ P(k) = \frac{(\lambda W)^ke^{\lambda W}}{k!} \; , \] wobei die Rate $\lambda$ aus den Daten bestimmt werden soll. Hinweis: es gibt eine \code{matlab} Funktion, die die Fakult\"at $n!$ berechnet. \begin{solution} \lstinputlisting{../code/counthist.m} \colorbox{white}{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{poissoncounthistdist100hz10ms}} \colorbox{white}{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{poissoncounthistdist100hz100ms}} \end{solution} \part Schreibe eine Funktion, die die mittlere Anzahl, die Varianz und den Fano-Faktor der Anzahl der Spikes in einem Fenster der Breite $W$ bestimmt. Benutze die Funktion, um diese Parameter f\"ur verschiedene Fensterbreiten $W$ zu bestimmen. Zwei Plots sollen aus den Ergebnissen angefertigt werden: (i) Varianz gegen Mittelwert der counts. (ii) Fano Faktor als Funktion der Fensterbreite. \begin{solution} \lstinputlisting{../code/fano.m} \colorbox{white}{\includegraphics[width=0.98\textwidth]{poissonfano100hz}} \end{solution} \end{parts} \end{questions} \end{document}