Skip to main content
SUPERVISOR
علی یوسفی (استاد مشاور) بهزاد نظری (استاد راهنما) سعید صدری (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammadreza Rezaei
محمدرضا رضائی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Deep Learning for Position and Velocity Estimation of a Rat in a Maze by Processing Spiking Activity of Neural Population
Generally in neural systems of animals, information about behavioural variables such as sensory signals or motor actions are carried by the activity of populations of neurons. Signal decoding of neural system helps researchers to understand brain's functions. Research about hippocampus area of rat brain shows that it is possible to decode position from spiking activity of this area. Recently, with the emergence of deep learning techniques, deep neural networks (D) provide powerful modeling capabilities and achieve state-of-the-art results. Long short-term memory (LSTM), a type of deep neural network, can capture long-range dependencies and nonlinear dynamics, and is widely used in modeling complex dynamical signals like speech. In this research, we propose long LSTM network topologies for decoding 2D movement trajectory of a rat using the neural activities recorded from an ensemble of hippocampal place cells. Despite of wide utilization of D, reliability of result in these modeling approach is not completely understood. To analyze the behavior and accuracy of the networks, we compared the performance of these topologies with point-process filter solution which is used widely in these experiments. The result of the first proposed topology in this thesis, even though it has sufficient decoding accuracy, shows undesired behaviors which are unnatural in rat's movement (like jumps). The second proposed topology restricts output to produce undesired jumps by embedding information of the maze shape. Finally, in the third proposed topology adding information of rat velocity to the model, improves dynamics of rat's movement in decoding. Since the rat's position distribution is not uniform, in training session the cost function is weighted by absolute value of the velocity. We measured least absolute error (LAE) and root mean square error (RMSE) to compare the performance of these methods. LAE metric for LSTM and point-process filter are 8.7 and 6.8, respectively. RMSE metric is 10.3 and 8.86 for LSTM and point-process filter, respectively. We showed that the LSTM topologies and point-process filter provide comparable accuracy in estimating the position. In addition, both the LSTM model and the point-process model can encode the receptive field for each place cell. The LSTM runs 16 times faster than the point-process filter in this research, providing a strong advantage in computational efficiency.
به‌طورکلی در سیستم عصبی حیوانات اطلاعات متغیرهای رفتاری مهم از قبیل سیگنال‌های حسی یا حرکتی در فعالیت پالسی مجموعه عصب‌ها نهفته شده‌اند. کد برداری از این سیگنال‌ها، می‌تواند به درک بهتر عملکرد مغز کمک کند. مطالعات پیرامون کد برداری از این سیگنال‌ها بر مبنای هیپوکمپ مغز موش انجام می‌شود. نشان داده‌شده است که می‌توان موقعیت در محیط را از فعالیت پالسی استخراج نمود. اخیراً یادگیری عمیق و شبکه‌های عصبی عمیق در بسیاری از زمینه‌ها ازجمله مدل‌سازی، به‌طور گسترده استفاده‌شده است. شبکه‌های عصبی بازگشتیlong-short-term-memory (LSTM) نوعی از شبکه‌های عصبی هستند که توانایی پردازش و استخراج اطلاعات مربوط به وابستگی‌های بلندمدت زمانی میان نمونه‌های داده را دارند. در این تحقیق سه ساختار‌ با استفاده از شبکه‌های LSTM برای تخمین موقعیت دوبعدی موش آزمایشگاهی از روی سیگنال‌های عصبی ثبت‌شده از ناحیه هیپوکمپ مغز موش ارائه‌شده است. علیرغم کاربرد بسیار زیاد شبکه‌های عمیق در مسائل پیچیده، مشکل عدم قطعیت این شبکه‌ها هنوز به‌طور کامل حل‌نشده است. پس به‌منظور بررسی رفتار و دقت تخمین موقعیت د ر این شبکه‌ها، نتایج حاصل از شبکه‌ها با نتایج حاصله از پالایه‌های فرایند نقطه‌ای که در تحقیقات قبلی برای تخمین موقعیت از روی سیگنال‌های عصبی استفاده‌شده‌اند، مقایسه شده است. ساختار اول ارائه‌شده در این رساله ازنظر دقت تخمین موقعیت، عملکرد قابل قبولی دارد اما این مدل در بعضی از زمان‌ها رفتار پیش‌بینی ‌نشده‌ای (مانند پرش‌های ناخواسته در خروجی مدل) که با فیزیک حرکت موش مغایرت دارد را از خود نشان می‌دهد. ساختار دوم به‌منظور جلوگیری از پرش‌های ناخواسته در خروجی ساختار اول ارائه‌شده است. در این ساختار ویژگی‌های محیط آزمایش که حاوی اطلاعات مفیدی برای کد برداری است از فعالیت پالسی استخراج و به ساختار شبکه اضافه‌شده است تا از رخ دادن این پرش‌ها جلوگیری شود. سپس در ساختار سوم با استخراج ویژگی‌های سرعت از فعالیت پالسی و اضافه کردن این ویژگی‌ها به مدل پیشنهادی دقت تخمین موقعیت در این مدل بهبودیافته است. همچنین در هنگام آموزش تابع هزینه با اندازه سرعت در هر نقطه وزندهی شده است تا تأثیر بایاس دار بودن داده‌های ثبت‌شده در هنگام آموزش کاهش یابد. برای مقایسه کمی دقت روش‌ها از دو معیار least-absolute-error-(LAE) که معیار دقت و root-mean-squared-error (RMSE) که معیاری از ثبات نتایج است، استفاده‌شده است. معیار LAE برای فیلتر فرایند نقطه‌ای 6/8 و برای مدل نهایی LSTM مقدار 8/7 دارد. معیار RMSE برای فیلتر فرایند نقطه‌ای 10/3 و برای مدل نهایی LSTM مقدار 8/86 را دارد. نتایج نشان می‌دهد، فیلتر فرایند نقطه‌ای و مدل نهایی مبتنی بر شبکه LSTM می‌توانند موقعیت دوبعدی موش را تخمین بزنند. همچنین، هر دو مدل فیلتر فرایند نقطه‌ای و مدل نهایی مبتنی بر شبکه LSTM نیز می‌توانند به‌خوبی این اطلاعات را کدگذاری کنند درحالی‌که حجم محاسبات شبکه نهایی مبتنی بر LSTM تقریباً ?? برابر کمتر از فیلتر فرایند نقطه‌ای است.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی