Adatelemzési eljárások az idegrendszer kutatásban Somogyvári Zoltán



Hasonló dokumentumok
Az egyedi neuronoktól az EEG hullámokig Somogyvári Zoltán

Mikroelektródás képalkotó eljárások Somogyvári Zoltán

Az agykéreg dinamikájának modell alapú vizsgálata: az egyedi idegsejtektől a hálózatokig

Nagy számok törvényei Statisztikai mintavétel Várható érték becslése. Dr. Berta Miklós Fizika és Kémia Tanszék Széchenyi István Egyetem

Funkcionális konnektivitás vizsgálata fmri adatok alapján

Az agykéreg dinamikájának modell alapú vizsgálata: az egyedi idegsejtektől a hálózatokig. Somogyvári Zoltán

Wavelet transzformáció

Pelletek térfogatának meghatározása Bayes-i analízissel

Principal Component Analysis

STATISZTIKA ELŐADÁS ÁTTEKINTÉSE. Matematikai statisztika. Mi a modell? Binomiális eloszlás sűrűségfüggvény. Binomiális eloszlás

Geofizikai kutatómódszerek I.

GEOSTATISZTIKA. Földtudományi mérnöki MSc, geofizikus-mérnöki szakirány. 2018/2019 I. félév TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ

Az előadás tartalma. Debrecen 110 év hosszúságú csapadékadatainak vizsgálata Ilyés Csaba Turai Endre Szűcs Péter Ciklusok felkutatása

Transzformációk síkon, térben

Általánosan, bármilyen mérés annyit jelent, mint meghatározni, hányszor van meg

6. Előadás. Vereb György, DE OEC BSI, október 12.

Mérési hibák

c adatpontok és az ismeretlen pont közötti kovariancia vektora

Jelanalízis. Neuronális aktivitás

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Modern Fizika Labor. 5. ESR (Elektronspin rezonancia) Fizika BSc. A mérés dátuma: okt. 25. A mérés száma és címe: Értékelés:

A maximum likelihood becslésről

Egy idegsejt működése. a. Nyugalmi potenciál b. Transzport proteinek c. Akciós potenciál

GEOSTATISZTIKA II. Geográfus MSc szak. 2019/2020 I. félév TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ

a. Nyugalmi potenciál b. Transzport proteinek c. Akciós potenciál. Nyugalmi potenciál. 3 tényező határozza meg:

Véletlen jelenség: okok rendszere hozza létre - nem ismerhetjük mind, ezért sztochasztikus.

Több valószínűségi változó együttes eloszlása, korreláció

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

Automatikus irányzás digitális képek. feldolgozásával TURÁK BENCE DR. ÉGETŐ CSABA

Statisztika - bevezetés Méréselmélet PE MIK MI_BSc VI_BSc 1

Kísérlettervezés alapfogalmak

Számítógépes geometria (mester kurzus)

Korrelációs kapcsolatok elemzése

Alap-ötlet: Karl Friedrich Gauss ( ) valószínűségszámítási háttér: Andrej Markov ( )

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

Hibadetektáló rendszer légtechnikai berendezések számára

Jelek és rendszerek 1. 10/9/2011 Dr. Buchman Attila Informatikai Rendszerek és Hálózatok Tanszék

Az idegrendszeri dinamika modell alapú vizsgálata: az egyedi idegsejtektől a hálózatokig

Modern Fizika Labor. Fizika BSc. Értékelés: A mérés dátuma: A mérés száma és címe: 5. mérés: Elektronspin rezonancia március 18.

y ij = µ + α i + e ij

Mechanika I-II. Példatár

1. Gauss-eloszlás, természetes szórás

[Biomatematika 2] Orvosi biometria

1. Bázistranszformáció

Felügyelt önálló tanulás - Analízis III.

λx f 1 (x) e λx f 2 (x) λe λx f 2 (x) + e λx f 2(x) e λx f 2 (x) Hasonlóan általában is elérhető sorműveletekkel, hogy csak f (j)

Abszorpciós spektroszkópia

A Markovi forgalomanalízis legújabb eredményei és ezek alkalmazása a távközlő hálózatok teljesítményvizsgálatában

Elfedett pulzációk vizsgálata a KIC fedési kettősrendszerben

A mérések általános és alapvető metrológiai fogalmai és definíciói. Mérések, mérési eredmények, mérési bizonytalanság. mérés. mérési elv

Kísérlettervezés alapfogalmak

Least Squares becslés

Feladatok: pontdiagram és dobozdiagram. Hogyan csináltuk?

STATISZTIKA. A maradék független a kezelés és blokk hatástól. Maradékok leíró statisztikája. 4. A modell érvényességének ellenőrzése

Infobionika ROBOTIKA. X. Előadás. Robot manipulátorok II. Direkt és inverz kinematika. Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében

Matematikai statisztika c. tárgy oktatásának célja és tematikája

KOMPOZITLEMEZ ORTOTRÓP

Mi az adat? Az adat elemi ismeret. Az adatokból információkat

Statisztikai következtetések Nemlineáris regresszió Feladatok Vége

A távérzékelt felvételek tematikus kiértékelésének lépései

Statisztika I. 8. előadás. Előadó: Dr. Ertsey Imre

Érzékelési folyamat szereplői. Az érzékelés biofizikájának alapjai. Receptor felépítése. Az inger jellemzői MILYEN? HOL? MENNYI? MEDDIG?

A térképen ábrázolt vonal: - sík felület egyenese? - sík felület görbéje? - görbült felület egyenese ( geodetikus )? - görbült felület görbéje?

A térképen ábrázolt vonal: - sík felület egyenese? - sík felület görbéje? - görbült felület egyenese ( geodetikus )? - görbült felület görbéje?

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Hipotézis STATISZTIKA. Kétmintás hipotézisek. Munkahipotézis (H a ) Tematika. Tudományos hipotézis. 1. Előadás. Hipotézisvizsgálatok

2. gyakorlat Mintavételezés, kvantálás

Tanulás az idegrendszerben. Structure Dynamics Implementation Algorithm Computation - Function

Biomatematika 2 Orvosi biometria

A gyakorlat célja a fehér és a színes zaj bemutatása.

BMF, Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar, Híradástechnika Intézet. Aktív Szűrő Mérése - Mérési Útmutató

Georg Cantor (1883) vezette be Henry John Stephen Smith fedezte fel 1875-ben. van struktúrája elemi kis skálákon is önhasonló

Továbblépés. Általános, lineáris modell. Példák. Jellemzık. Matematikai statisztika 12. elıadás,

2014. szeptember 24. és 26. Dr. Vincze Szilvia

(Independence, dependence, random variables)

Kabos: Statisztika II. t-próba 9.1. Ha ismert a doboz szórása de nem ismerjük a

Többváltozós lineáris regressziós modell feltételeinek

Előszó. International Young Physicists' Tournament (IYPT) Karcolt hologram #5 IYPT felirat karcolása D'Intino Eugenio

Robotok inverz geometriája

Módszer fejlesztése forró részecskék azonosítására és lokalizálására biztosítéki részecske-analízis céljára

3D számítógépes geometria és alakzatrekonstrukció

Matematika (mesterképzés)

ACM Snake. Orvosi képdiagnosztika 11. előadás első fele

Line aris f uggv enyilleszt es m arcius 19.

Digitális képek feldolgozása Előfeldolgozás Radiometriai korrekció Geometriai korrekció Képjavítás Szűrők Sávok közötti műveletek Képosztályozás Utófe

Sajátértékek és sajátvektorok. mf1n1a06- mf1n2a06 Csabai István

Az ipari komputer tomográfia vizsgálati lehetőségei

S atisztika 2. előadás

Statisztikai becslés

Gazdasági matematika II. tanmenet

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Blind Source Separation. Kiváltott agyi jelek informatikai feldolgozása

Gauss-Jordan módszer Legkisebb négyzetek módszere, egyenes LNM, polinom LNM, függvény. Lineáris algebra numerikus módszerei

1. feladatsor: Vektorfüggvények deriválása (megoldás)

STATISZTIKA. Egymintás u-próba. H 0 : Kefir zsírtartalma 3% Próbafüggvény, alfa=0,05. Egymintás u-próba vagy z-próba

Kétváltozós függvények differenciálszámítása

2. Hangfrekvenciás mechanikai rezgések vizsgálata jegyzőkönyv. Zsigmond Anna Fizika Bsc II. Mérés dátuma: Leadás dátuma:

Matematikai geodéziai számítások 6.

Mérnökgeodéziai hálózatok feldolgozása

Matematika III előadás

Átírás:

Adatelemzési eljárások az idegrendszer kutatásban Somogyvári Zoltán MTA KFKI Részecske és Magfizikai Intézet, Biofizikai osztály

Az egy adatsorra (idősorra) is alkalmazható módszerek

Példa: Az epileptikus roham lassú dinamikája Egy kísérletes epilepszia modell: 4-Aminopiridin lokális alkalmazásával kiváltott generalizálódó epilepszia, EKoG: 24s 10s 6s Hullámalak és jellemző frekvenciák alapján 3 fázis.

Adatelemzés: Fourier-transzformáció Frekvencia (Hz)

Wavelettranszformáció

Wavelet-transzformáció

Wavelet-transzformáció ECoG adaton 40 Amplitúdó Frekvencia (Hz) 50 30 20 10 0 0 8 16 24 32 Idő (s) 40 48 56 64

Koherencia

Fázistér rekonstrukció Whitney-tétele alapján, a rendszer pszeudo-attraktora a deriváltakból (a(t), a1(t), a2(t)...) képzett térben topologiailag ekvivalens a valódi fázistérben bejárt valódi attraktorával. A deriválás növeli a zajt, ezért inkább a a(t), a(t+dt), a(t+2dt)... visszatérési térképeket (return map) használják.

Egy egyszerű epilepszia modell A serkentés és gátlás viszonylagos erejének változtatásával - tüskék - komplex dinamikájú rohamok - status epilepticus jelenik meg A gátlás növeléséve a rohamok megszüntethetőek

A modell dinamikájának rekonstruált attraktorai és változásuk A szinaptiks depresszió átvezeti a rendszert az egyre lassuló teljesen aktivált szakaszból az irreguláris oszcilláció tartományába.

A mért roham és a modell attraktorainak összehasonlítása

Fázistér rekonstrukció Mihez kezdjünk a rekonstruált attraktorral? A típusát (topológiáját) megállapítani a zajos adatsorból nehéz. A dimenziója mérhető pl: L2-dimenzió: N=Ld ahol N az L sugarú gömbben található pontok száma. Mérhető a Ljapunov-exponens: a pálya átlagos instabilitása. Mi egyéb?

A néhány párhuzamos adatsorra (idősorra) alkalmazható módszerek

ARMA és ARIMA folyamatok X ( t ) = Ai X ( t i ) X ( t ) = Ai X ( t i )+ B j X' ( t j )

Koktélparti probléma és főkomponens analizis (PCA) Y i ( t ) = W ij X j ( t ) Keressük a legnagyobb szórású irányokat X1 Y1 Y2 X2

Koktélparti probléma és független komponens analizis (ICA) Y i ( t ) = W ij X j ( t ) Keressük a legfüggetlenebb irányokat! Az elv a centrális határeloszlás tétel: Két független valószínüségi változó lineáris kombinációja közelebb van a Gauss-eloszláshoz mint a két eredeti. Tehát keressük a legkevésbé Gauss forrásokat! Nem gaussitás mérték: pl: skewness (ferdeség)

Koktélparti probléma és független komponens analizis (ICA) Y i ( t ) = W ij X j ( t ) Keressük a legfüggetlenebb irányokat X1 Y1 Y2 X2

Információ elméleti mértékek Kölcsönös információ I X ;Y = H X H Y H X,Y H X = x p x log p x

Információ elméleti mértékek Granger kauzalítás p X t = i a1 j X t j 1 t p Y t = i d 1 j X t j 1 t p p p p X t = j a2 j X t j j b 2 j Y t j 2 t Y t = j c 2 j X t j j d 2 j Y t j 2 t

Információ elméleti mértékek Granger kauzalítás 1=Var 1 t 2=Var 2 t 1=Var 1 t 2 =Var 2 t F X Y =log 1 log 2 F Y X =log 1 log 2 2 2 2 F YX =log 2 2 log cov 2 t 2 t

A sok párhuzamos adatsorra (idősorra) alkalmazható módszerek

Membránáramok meghatározása egyedi idegsejteken extracelluláris mérések alapján Somogyvári Zoltán MTA KFKI Részecske és Magfizikai Intézet, Biofizikai osztály

1.5 mm Mikroelektróda a rengetegben

Első feladat az egyes idegsejtek azonosítása

Az idegsejteket jellegzetes potenciál mintázataik alapján azonosíthatjuk

Az idegsejteket jellegzetes potenciál mintázataik alapján azonosíthatjuk

13 azonosított sejt tüzelésének potenciálja térben és időben

A feladat Az idegsejtek membránján folyó áramok tér-időbeli eloszlásának meghatározása a mikroelektróda rendszerekkel mért potenciál eloszlások alapján Ez a Poisson-egyenlet inverz feladatának megoldása, amely azonban nem egyértelmű, ugyanahhoz a potenciál mintához végtelen sok forráseloszlás tartozhat.

A Poisson inverz probléma általános esetben Az EC potenciál Ф=TJ, ahol J a CSD eloszlás és T a lead-field mátrix. Az aktuális mérésnek megfelelő megoldások affin alteret alkotnak az összes lehetséges források terében: J(x)=T+Ф+ker(T)x

Az elméleti modell A lehetséges megoldások sokaságából a priori tudás felhasználásával választhatjuk ki a valódi forrást: 1, A sejt egy vonal forrással közelíthető, amely párhuzamos az elektródával 2, A CSD eloszlást a sejten egy sejttest közeli lokalizált nyelő és egy sima háttérforrás jellemzi. E feltevésről megmutattuk, hogy igaz az EC akciós potenciál kezdetétől a negatív csúcsáig. Somogyvári et al. 2005

A modell felhasználásával Rögzített forrás és elektróda geometria mellett a mért potenciál csak az elektróda és a forrás távolságától függ: V(d)=T(d)I, ahhol: T i,j d = 1 4π ε 2 2 x x +d i j Ha forrás és mérési pontok száma megegyezik, T(d) invertálható és I(d)=T-1(d)V Az I(d) csúcsosságát S(I) méri: S I =max j I j 2 I j mean I j 2 I j

Microimaging A matematikai autofókusz algoritmus nem csak a legélesebb képet adja meg, de becslést ad a sejt és az elektróda távolságára is.

A kulcs: a sejt távolsága Teszt szimulált adatokon A sejt-elektróda távolságának becslési pontossága különböző távolságokban, tíz különböző sejt elektróda relatív pozícióban

Az áramforrás-sűrűség térbeli eloszlásának meghatározása 1 %-os relatív amplitúdójú áramok is meghatározhatóak

Az új és a hagyományos CSD hibája Teszt szimulált adatokon A meghatározott CSD eloszlás hibájának távolságfüggése a három különböző forrás mintázat esetében.

Alkalmazás a mért akciós potenciálokra: A sejt elektróda távolság becslése A mért akciós potenciálok távolságának meghatározásával meghatározható az idegsejt pozíciója az idegszövetben és az amplitúdó távolságfüggése is.

Az akciós potenciál kezdetének helye és az események időrendje