Нейронное кодирование
-
Нейронное кодирование
- Изучение взаимосвязи между стимулом и реакцией нейронов
- Нейроны могут кодировать как цифровую, так и аналоговую информацию
-
Потенциалы действия
- Нейроны передают сигналы через потенциалы действия
- Сенсорные нейроны изменяют активность при внешних стимулах
- Градуированные потенциалы передают больше информации
-
Последовательности импульсов
- Последовательности импульсов могут быть охарактеризованы как точечные события
- Длины интервалов между импульсами варьируются случайным образом
-
Методы анализа
- Используются статистические методы и стохастические точечные процессы
- Нейробиологи расшифровывают нейронный код в реальном времени
-
Кодирование и декодирование
- Нейронное кодирование: от стимула к реакции
- Нейронное декодирование: от реакции к стимулу
-
Схемы кодирования
- Скоростное кодирование: частота импульсов зависит от интенсивности стимула
- Темпоральное кодирование: точное определение времени импульсов
-
Традиционный вид: Тарифный код
- Частота импульсов увеличивается с интенсивностью стимула
- Скоростное кодирование игнорирует временную структуру импульсов
-
Частота подсчета всплесков
- Подсчет количества импульсов за определенный период времени
- Временное усреднение теряет информацию о точных сроках импульсов
-
Темп стрельбы, зависящий от времени
- Среднее количество импульсов за короткий интервал времени
- Используется для стационарных и зависящих от времени раздражителей
-
Экспериментальные методы
- Запись данных с нейронов при стимуляции
- Гистограмма времени между стимулами (PSTH) для измерения активности
-
Временное кодирование и его особенности
- Временное кодирование использует точное время импульса или высокочастотные колебания скорости выстрела.
- Временное разрешение нейронного кода составляет миллисекунды.
- Временные коды могут быть использованы для передачи информации, несмотря на шум.
-
Модели скоростного и временного кодирования
- Модели скоростного кодирования предполагают, что нарушения частоты срабатывания являются шумом.
- Модели временного кодирования предполагают, что эти нарушения кодируют информацию.
-
Временные коды и их характеристики
- Временные коды используют особенности пиковой активности, такие как время до первого всплеска и фаза возбуждения.
- Временные паттерны и фазы возбуждения могут быть использованы для декодирования временных кодов.
-
Временное кодирование в сенсорных системах
- При коротких стимулах нейроны могут производить только один импульс, что требует временного кодирования.
- В зрительной системе время первого импульса относительно начала стимула предоставляет больше информации, чем интервал между импульсами.
- Во вкусовой системе временное кодирование помогает различать различные вкусовые качества.
- В обонятельной системе задержка первого всплеска относительно начала обнюхивания кодирует большую часть информации о запахе.
-
Приложения для временного кодирования
- Временное кодирование может быть использовано для локализации звука и различения стимулов.
- Временное кодирование помогает организму различать различные вкусовые качества и запахи.
- Временное кодирование может быть связано с процессами более высокого порядка в мозге.
-
Специфика временного кодирования
- Требует высокоразвитой технологии для измерения данных
- Оптогенетика позволяет контролировать импульсы в нейронах
- Синий свет вызывает импульсный выброс
-
Оптогенетическая технология
- Вводит последовательности генов каналородопсина в ДНК мыши
- Контролирует поведение мыши
- Помогает в коррекции аномалий импульсов
-
Код фазы запуска
- Объединяет код подсчета импульсов с привязкой ко времени
- Учитывает временную метку для всплесков
- Часто используется в сенсорных областях коры
-
Популяционное кодирование
- Метод представления стимулов с помощью совместной деятельности нейронов
- Нейроны имеют распределение ответов по входным данным
- Используется в сенсорной и моторной областях мозга
-
Векторное кодирование популяции
- Нейроны представляют движение в предпочтительном направлении
- Векторная сумма всех нейронов указывает на направление движения
-
Код усредненной локализованной синхронизированной реакции (ALSR)
- Используется для представления слуховых стимулов
- Включает фазовую синхронизацию внутри слухового нерва
-
Корреляционное кодирование
- Корреляции между потенциалами действия могут нести дополнительную информацию
- Корреляции могут увеличивать информативность
-
Независимое кодирование спайков
- Каждый потенциал действия независим от других
-
Кодирование местоположения
- Нейроны с гауссовой кривой настройки кодируют интенсивность стимула
- Точность зависит от количества нейронов
-
Разреженное кодирование
- Каждый элемент кодируется сильной активацией небольшого набора нейронов
- Разреженность может быть связана с временной или популяционной разреженностью
-
Разреженное кодирование в нейронных вычислениях
- Разреженное кодирование позволяет распределять информацию по нейронам, что отличает его от традиционных компьютеров.
- Разреженное кодирование создает ориентированные на волну фильтры, напоминающие рецептивные поля зрительной коры.
- Временное кодирование увеличивает емкость разреженных кодов, как в обонятельной системе саранчи.
-
Линейная генеративная модель
- Большинство моделей разреженного кодирования основаны на линейной порождающей модели.
- Цель модели — определить базисные векторы и разреженный вектор весов для аппроксимации входных данных.
- Кодировки делятся на мягкие и жесткие в зависимости от распределения коэффициентов.
-
Критическая полнота и избыточная завершенность
- Критически завершенное кодирование приводит к резким изменениям коэффициентов при небольших изменениях входных данных.
- Чрезмерно полное кодирование устойчиво к входным помехам, но требует больше энергии.
-
Биологические доказательства
- Разреженное кодирование увеличивает емкость ассоциативной памяти.
- В обонятельной системе дрозофилы разреженное кодирование запаха поддерживается цепью обратной связи между клетками Кеньона и ГАМКергическими нейронами.
- Нарушение обратной связи уменьшает разреженность реакций клеток Кеньона и усиливает корреляцию между запахами.