Analyse des trains de spike à large échelle avec contraintes spatio-temporelles : application aux acquisitions multi-électrodes rétiniennes

par Hassan Nasser

Thèse de doctorat en Automatique, traitement du signal et des images

Sous la direction de Bruno Cessac.

Le président du jury était Pierre Kornprobst.

Le jury était composé de Bruno Cessac, Pierre Kornprobst, Stefano Panzeri, Simona Cocco, Adrián Palacios, Matthias Hennig, Olivier Marre.

Les rapporteurs étaient Stefano Panzeri, Simona Cocco.


  • Résumé

    L’évolution des techniques d’acquisition de l’activité neuronale permet désormais d'enregistrer simultanément jusqu’à plusieurs centaines de neurones dans le cortex ou dans la rétine. L’analyse de ces données nécessite des méthodes mathématiques et numériques pour décrire les corrélations spatiotemporelles de la population neuronale. Une méthode couramment employée est basée sur le principe d’entropie maximale. Dans ce cas, le produit N×R, où N est le nombre de neurones et R le temps maximal considéré dans les corrélations, est un paramètre crucial. Les méthodes de physique statistique usuelles sont limitées aux corrélations spatiales avec R = 1 (Ising) alors que les méthodes basées sur des matrices de transfert, permettant l’analyse des corrélations spatio-temporelles (R > 1), sont limitées à N×R≤20. Dans une première partie, nous proposons une version modifiée de la méthode de matrice de transfert, basée sur un algorithme de Monte-Carlo parallèle, qui nous permet d’aller jusqu’à N×R=100. Dans la deuxième partie, nous présentons la bibliothèque C++ Enas, dotée d’une interface graphique développée pour les neurobiologistes. Enas offre un environnement hautement interactif permettant aux utilisateurs de gérer les données, effectuer des analyses empiriques, interpoler des modèles statistiques et visualiser les résultats. Enfin, dans une troisième partie, nous testons notre méthode sur des données synthétiques et réelles (rétine, fournies par nos partenaires biologistes). Notre analyse non exhaustive montre l’avantage de considérer des corrélations spatio-temporelles pour l’analyse des données rétiniennes; mais elle montre aussi les limites des méthodes d’entropie maximale.

  • Titre traduit

    Analysis of large scale spiking networks dynamics with spatio-temporal constraints : application to multi-electrodes acquisitions in the retina


  • Résumé

    Recent experimental advances have made it possible to record up to several hundreds of neurons simultaneously in the cortex or in the retina. Analyzing such data requires mathematical and numerical methods to describe the spatio-temporal correlations in population activity. This can be done thanks to Maximum Entropy method. Here, a crucial parameter is the product N×R where N is the number of neurons and R the memory depth of correlations (how far in the past does the spike activity affects the current state). Standard statistical mechanics methods are limited to spatial correlation structure with R = 1 (e.g. Ising model) whereas methods based on transfer matrices, allowing the analysis of spatio-temporal correlations, are limited to NR ≤ 20. In the first part of the thesis we propose a modified version of the transfer matrix method, based on the parallel version of the Montecarlo algorithm, allowing us to go to NR=100. In a second part we present EnaS, a C++ library with a Graphical User Interface developed for neuroscientists. EnaS offers highly interactive tools that allow users to manage data, perform empirical statistics, modeling and visualizing results. Finally, in a third part, we test our method on synthetic and real data sets. Real data set correspond to retina data provided by our partners neuroscientists. Our non-extensive analysis shows the advantages of considering spatio-temporal correlations for the analysis of retina spike trains, but it also outlines the limits of Maximum Entropy methods.


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