E13 Neuronale Kodierung

Thema

Die neuronale Kodierung untersucht, wie Informationen über einen Reiz oder eine externe Variable in der neuronalen Antwort – also in den Aktivitätsmustern eines oder mehrerer Neuronen – repräsentiert werden. Die momentane Feuerrate fasst diese neuronale Antwort zusammen und transformiert eine Folge diskreter Aktionspotenziale in eine einzelne kontinuierliche Variable, die die neuronale Antwort zu jedem Zeitpunkt erfasst.

Ohne einen spezifischen Kodierungsmechanismus vorauszusetzen, quantifizieren Instrumente der Informationstheorie, wie Entropie und gegenseitige Information, im Allgemeinen, wie stark die Unsicherheit über den Reiz durch die Beobachtung der neuronalen Antwort reduziert wird: Je größer die gegenseitige Information zwischen Reiz und neuronaler Antwort ist, desto geringer ist die Unsicherheit über den Reiz bei der Beobachtung der neuronalen Antwort. Viele sensorische Neuronen zeigen glockenförmige Abstimmungskurven in ihrer neuronalen Antwort auf eine Reizvariable: Die neuronale Antwort eines dieser sensorischen Neuronen ist maximal, wenn der Reiz einen für dieses Neuron bevorzugten Wert annimmt, und sie nimmt ab, wenn der Reizwert von diesem bevorzugten Wert abweicht.

Der Variationskoeffizient der Feuerungsintervalle einer neuronalen Antwort quantifiziert, wie regelmäßig oder unregelmäßig das zeitliche Feuerungsmuster dieser Antwort ist: Je höher der Variationskoeffizient, desto unregelmäßiger das Feuerungsmuster; je niedriger er ist, desto regelmäßiger.

Auf Populationsebene lässt sich der Reiz aus der neuronalen Antwort vieler sensorischer Neuronen gleichzeitig rekonstruieren, entweder durch optimale lineare Dekodierung oder mithilfe der Populationsvektormethode. Letztere gewichtet den Beitrag der neuronalen Antwort jedes Neurons entsprechend seiner Abstimmungspräferenz und seiner momentanen Feuerungsrate. Zusammengenommen ermöglicht uns diese neuronale Antwort – zusammengefasst in der momentanen Feuerungsrate, charakterisiert durch ihre Abstimmungskurve und die Regelmäßigkeit ihres Feuerungsmusters und quantifiziert mithilfe der Informationstheorie – zu verstehen, wie viel ein Neuron über einen Reiz weiß und diesen Reiz aus der Aktivität einer gesamten Neuronenpopulation zu rekonstruieren.

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