Información categórica y temporalen el código neuronal

Inés Samengo y Hugo G. Eyherabide

Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro

Patrones de disparo como detectores de rasgos:Ejemplo 1

Apteronotus leptorhynchus

Patrones de disparo como detectores de rasgos:Ejemplo 1

Patrón 1

Patrón 2

Patrón 3

Patrones de disparo como detectores de rasgos:Hipótesis.

Hipótesis de codificación:

•Los distintos patrones representan distiontos estímulo (amplitudes).

•El timing de los patrones representa el timing de los estímulos.

Patrones de disparo como detectores de rasgos:Ejemplo 2

Eyherabide et al.Frontiers, 2008, 2009.

Patrones de disparo como detectores de rasgos:Ejemplo 2

Pattern 1

Pattern 2

Pattern 3

Pattern 4

Patrones de disparo como detectores de rasgos:Hipótesis.

Hipótesis de codificación:

•Los distintos patrones representan distiontos estímulo (amplitudes y duraciones).

•El timing de los patrones representa el timing de los estímulos.

Aspectos de la respuesta que codifican información

¿Qué aspectos de la respuesta neuronal

codifican información del estímulo?

Gawne, Kjaer, Richmond, J Neurophysiology, 1996

Un código neuronal basado en latencia y nro. de spikes

Gawne, Kjaer, Richmond, J Neurophysiology, 1996

Un código neuronal basado en latencia y nro. de spikes

¿Cómo identificar un aspecto relevante?

TOTA

L

TOTA

L

ASPE

CTO

Un aspecto relevante:

uno que por sí sólotransmite mucha información.

uno que al ser eliminado induce una gran pérdida de información

TOTA

L SIN

AS

PECT

O

TOTA

L

ASPE

CTO

Un aspecto irrelevante:

uno que por sí sólotransmite poca información

uno que al ser eliminado induceuna pequeña pérdida de información

SIN

ASPE

CTO

Aspectos relevantesusando el primer criterio

Gollisch and Meister, Science, 2008

Aspectos relevantesutilizando el segundo criterio

Gaudry and Reinagel, Network, 2008.

INFORMACIÓN TOTAL

INFORMACIÓN TEMPORAL

INFORMACIÓN DE PATRONES

Información Mutua:una medida de correspondencia estadística

YX

x1

x2

x3

y1

y2

y3

H(X) = - p(xi) Log p(xi) H(X) = - p(xi) Log p(xi)

I = H ( X ) – H ( X | Y ) = H ( Y ) – H ( Y | X )

Cuantificando las informacionescategórica y temporal

Eligiendo la representación

Categorical and Temporal information:Definitions

ESTÍMULO RESPUESTA

CATEGORÍADEL

PATRÓN

TIMINGDEL

PATRÓN

I (C, S)

I (T, S)

Información categórica y temporal:un ejemplo

+ Ruido temporal

+ Ruido categórico

Información categórica y temporal:un ejemplo

Sin ruido categórico Con ruido categórico

Sin

ruid

o te

mpo

ral

Con

ruid

o te

mpo

ral

TOTA

L

TEM

PTO

TAL

TOTA

L

TOTA

L

TEM

PTE

MP

TEM

PCA

CA

CAT

CAT

Sinergía y Redundancia en las informaciones categórica y temporal

I (S ; C T) = I (S ; C) + I (S; T) +

> 0: sinergía entre T y C

< 0: redundancia entre T y C

puede ser positiva, if I ( S ; T ) = I ( S ; C) = 0

no puede ser negative, if I ( S ; T ) = 0 o I ( S ; C) = 0

ESTÍMULO RESPUESTA

Información categórica y temporal:otros ejemplos.

Información categórica y temporal:otro ejemplo

Información categórica y temporal:otro ejemplo.

INFO

RMAC

IÓN

TEM

PORA

L

INFO

RMAC

IÓN

CATE

GÓ

RICA

Revisión de las Hipótesis

Hipótesis de codificación:

•Distintos patrones representan distintos estímulos (amplitudes).

•El timing de distintos patrones representa el timing de los estímulos.

NO NECESARIAMENTE: PUEDE HABER SINERGÍA O REDUNDANCIA.

Revisión de los criterios de relevancia

Un aspecto relevante

1) uno que por sí solo transmite mucha información.

2)uno que al eliminarse, disminuye mucho la información.

ESTOS CRITERIOS NO SON EQUIVALENTES

TOTAL FEATUE1

FEATURE2

1

2

1

2

1

2

x

x

Un aspecto irrelevante:

1)uno que por sí solo transmite poca información.

2)uno que al eliminarse causa poca pérdida de información

ESTOS CRITERIOS NO SON EQUIVALENTES

Revisión de los criterios de relevancia

TOTAL FEATUE1

FEATURE2

1

2

1

2

1

2

x

x

Información acerca del QUÉe información acerca del CUÁNDO

RESPUESTA

CATEGORÍADEL

PATRÓN

TIMING DEL

PATRÓN

ESTÍMULO

QUÉ

CUÁNDO

S = (ST , SC) R = (C, T)

El QUÉ y el CUÁNDOen el estímulo

0 10 20 30 40

440220

Sou

nd p

ress

ure

Time (ms)

0 10 20 30 40

440440440 220220220220

Sou

nd P

ress

ure

Time (ms)

220 440

Fácil segmentaciónde frecuencia y amplitud

Fácil segmentaciónde presión de aire

El QUÉ y el CUÁNDOen el estímulo

Información categórica y temporal:Relación con el QUÉ y el CUÁNDO.

RESPUESTA

CATEGORÍADEL

PATRÓN

TIMING DEL

PATRÓN

ESTÍMULO

QUÉ

CUÁNDO

Información categórica y temporal:el codificador ideal.

I ( T ; SC | ST ) = 0I ( C ; ST | SC ) = 0

I ( T ; S) = I ( T ; ST ) H ( ST )I ( C ; S) = I ( T ; SC ) H ( SC )

I ( T C ; S) = I ( T ; ST ) + I ( T ; SC ) +

≥ - I (ST ; SC) LA REDUNDANCIA ESTÁ ACOTADA POR LA REDUNDANCIA DEL ESTÍMULO

RESPUESTA

CATEGORÍADEL

PATRÓN

TIMINGDEL

PATRÓN

ESTÍMULO

QUÉ

CUÁNDO

Conclusiones

Generalización

RESPUESTA

CATEGORÍADEL

PATRÓN

TIMINGDEL

PATRÓN

ESTÍMULO

QUÉ

CUÁNDO

-Los dos aspectos no necesitan ser TIEMPO y CATEGORÍA

-El objetivo es encontrar aspectos que sean lo más independientes posible.