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Statistical Signal Processing for Neuroscience and Neurotechnology
Karim G. Oweiss
Verlag Elsevier Reference Monographs, 2010
ISBN 9780080962962 , 441 Seiten
Format PDF, ePUB, OL
Kopierschutz DRM
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1
Statistical Signal Processing for Neuroscience and Neurotechnology
4
Copyright page
5
Table of contents
6
Preface??????????????????????????????????????????????????????????????????????????
12
About the Editor
14
About the Contributors
16
Chapter 1. Introduction??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
24
1.1 Background????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
24
1.2 Motivation????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
26
1.3 Overview and Roadmap
28
References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
35
Chapter 2. Detection and Classification of Extracellular Action Potential Recordings
38
2.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
38
2.2 Spike Detection??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
39
2.3 Spike Sorting??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
55
2.4 Practical Implementation????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
81
2.5 Discussion and Future Directions
88
Acknowledgment????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
92
References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
92
Chapter 3. Information-Theoretic Analysis of Neural Data
98
3.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
98
3.2 The Encoder??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
100
3.3 The Channel??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
106
3.4 Rate-Distortion Theory
113
3.5 Post–Shannon Information Theory
117
3.6 Discussion????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
122
References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
123
Chapter 4. Identification of Nonlinear Dynamics in Neural Population Activity
126
4.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
126
4.2 Problem Statement??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
127
4.3 Nonlinear Model of Neural Population Dynamics
128
4.4 Results: Application to Hippocampal CA3-CA1 Population Activity
138
4.5 Discussion????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
144
4.6 Future Directions??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
148
Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
149
References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
149
Chapter 5. Graphical Models of Functional and Effective Neuronal Connectivity
152
5.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
152
5.2 Background and Overview
154
5.3 Graphical Models????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
161
5.4 Results??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
169
5.5 Discussion and Future Directions
187
Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
189
References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
190
Chapter 6. State Space Modeling of Neural Spike Train and Behavioral Data
198
6.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
198
6.2 State Space Modeling Paradigm??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
200
6.3 Applications of the State Space Paradigm in Neuroscience Data Analysis
203
6.4 Discussion????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
234
Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
236
References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
236
Chapter 7. Neural Decoding for Motor and Communication Prostheses
242
7.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
242
7.2 Plan and Movement Neural Activity
245
7.3 Continuous Decoding for Motor Prostheses
248
7.4 Discrete Decoding for Communication Prostheses
263
7.5 Discussion????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
275
7.6 Future Directions??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
278
Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
280
References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
281
Chapter 8. Inner Products for Representation and Learning in the Spike Train Domain
288
8.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
288
8.2 Functional Representations of Spike Trains
291
8.3 Inner Products for Spike Trains
297
8.4 Applications????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
308
8.5 Discussion????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
323
Appendix A Higher-Order Spike Interactions through Nonlinearity
324
Appendix B Proofs??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
325
Appendix C Brief Introduction to RKHS Theory
327
Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
328
References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
328
Chapter 9. Signal Processing and Machine Learning for Single-Trial Analysis of Simultaneously Acquired EEG and fMRI
334
9.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
334
9.2 Hardware Design and Setup: Challenges in EEG/fMRI Acquisition
336
9.3 Signal Processing and Removal of BCG Artifacts
340
9.4 Linking Single-Trial Variations of Task-Relevant EEG Components to the Bold Signal
346
9.5 Results??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
350
9.6 Future Directions??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
353
Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
354
References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
354
Chapter 10. Statistical Pattern Recognition and Machine Learning in Brain–Computer Interfaces
358
10.1 Introduction??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
358
10.2 Signal Processing and Pattern Recognition in BCI Systems
360
10.3 Applications??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
373
10.4 Discussion??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
381
Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
382
References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
383
Chapter 11. Prediction of Muscle Activity from Cortical Signals to Restore Hand Grasp in Subjects with Spinal Cord Injury
392
11.1 Introduction??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
392
11.2 Background??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
394
11.3 Methods????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
400
11.4 Results????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
407
11.5 Discussion??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
417
11.6 Future Directions????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
422
Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
424
References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
424
Index??????????????????????????????????????????????????????????????
430
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