Statistical Signal Processing for Neuroscience and Neurotechnology

Front cover

Statistical Signal Processing for Neuroscience and Neurotechnology

Copyright page

Table of contents

Preface??????????????????????????????????????????????????????????????????????????

About the Editor

About the Contributors

Chapter 1. Introduction??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

1.1 Background????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

1.2 Motivation????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

1.3 Overview and Roadmap

References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Chapter 2. Detection and Classification of Extracellular Action Potential Recordings

2.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

2.2 Spike Detection??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

2.3 Spike Sorting??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

2.4 Practical Implementation????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

2.5 Discussion and Future Directions

Acknowledgment????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Chapter 3. Information-Theoretic Analysis of Neural Data

3.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

3.2 The Encoder??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

3.3 The Channel??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

3.4 Rate-Distortion Theory

3.5 Post–Shannon Information Theory

3.6 Discussion????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Chapter 4. Identification of Nonlinear Dynamics in Neural Population Activity

4.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

4.2 Problem Statement??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

4.3 Nonlinear Model of Neural Population Dynamics

4.4 Results: Application to Hippocampal CA3-CA1 Population Activity

4.5 Discussion????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

4.6 Future Directions??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Chapter 5. Graphical Models of Functional and Effective Neuronal Connectivity

5.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

5.2 Background and Overview

5.3 Graphical Models????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

5.4 Results??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

5.5 Discussion and Future Directions

Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Chapter 6. State Space Modeling of Neural Spike Train and Behavioral Data

6.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

6.2 State Space Modeling Paradigm??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

6.3 Applications of the State Space Paradigm in Neuroscience Data Analysis

6.4 Discussion????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Chapter 7. Neural Decoding for Motor and Communication Prostheses

7.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

7.2 Plan and Movement Neural Activity

7.3 Continuous Decoding for Motor Prostheses

7.4 Discrete Decoding for Communication Prostheses

7.5 Discussion????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

7.6 Future Directions??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Chapter 8. Inner Products for Representation and Learning in the Spike Train Domain

8.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

8.2 Functional Representations of Spike Trains

8.3 Inner Products for Spike Trains

8.4 Applications????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

8.5 Discussion????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Appendix A Higher-Order Spike Interactions through Nonlinearity

Appendix B Proofs??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Appendix C Brief Introduction to RKHS Theory

Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Chapter 9. Signal Processing and Machine Learning for Single-Trial Analysis of Simultaneously Acquired EEG and fMRI

9.1 Introduction????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

9.2 Hardware Design and Setup: Challenges in EEG/fMRI Acquisition

9.3 Signal Processing and Removal of BCG Artifacts

9.4 Linking Single-Trial Variations of Task-Relevant EEG Components to the Bold Signal

9.5 Results??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

9.6 Future Directions??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Chapter 10. Statistical Pattern Recognition and Machine Learning in Brain–Computer Interfaces

10.1 Introduction??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

10.2 Signal Processing and Pattern Recognition in BCI Systems

10.3 Applications??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

10.4 Discussion??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Chapter 11. Prediction of Muscle Activity from Cortical Signals to Restore Hand Grasp in Subjects with Spinal Cord Injury

11.1 Introduction??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

11.2 Background??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

11.3 Methods????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

11.4 Results????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

11.5 Discussion??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

11.6 Future Directions????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Acknowledgments??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

References????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

Index??????????????????????????????????????????????????????????????