With modern calcium imaging technology, the activities of thousands of neurons can be recorded simultaneously in vivo. These experiments can potentially provide new insights into functional connectivity, defined as the statistical relationships between the spiking activity of neurons in the brain. As a commonly used tool for estimating conditional dependencies in high-dimensional settings, graphical models are a natural choice for analyzing calcium imaging data. However, raw neuronal activity recording data presents a unique challenge: the important information lies in the rare extreme value observations that indicate neuronal firing, as opposed to the non-extreme observations associated with inactivity. To address this issue, we develop a novel class of graphical models, called the extreme graphical model, which focuses on finding relationships between features with respect to the extreme values. Our model assumes the conditional distributions a subclass of the generalized normal or Subbotin distribution, and yields a form of a curved exponential family graphical model. We first derive the form of the joint multivariate distribution of the extreme graphical model and show the conditions under which it is normalizable. We then demonstrate the model selection consistency of our estimation method. Lastly, we study the empirical performance of the extreme graphical model through several simulation studies as well as through a real data example, in which we apply our method to a real-world calcium imaging data set.


翻译:现代钙成像技术可以同时记录数千个神经神经元的活动。 这些实验可以提供功能连通性的新洞察力, 即脑神经神经神经元活动之间的统计关系。 作为在高维环境中估计有条件依赖性的一个常用工具, 图形模型是分析钙成像数据的一种自然选择。 然而, 原始神经神经活动记录数据是一个独特的挑战: 重要信息在于表明神经燃烧的稀有极端价值观测, 而不是与无活动相关的非极端观测。 为了解决这个问题, 我们开发了新型的图形模型, 称为极端图形模型, 重点是寻找与极端值有关的特征之间的关系。 我们的模型假设是普通正态分布或苏博丁分布的一个亚类, 并产生一种曲线指数家庭图形模型的形式。 我们首先从极端图形模型的联合多变式分布中得出形式, 并展示其可以正常化的条件。 我们随后展示了我们估算方法的模型选择一致性。 最后, 我们通过几个模拟模型, 我们用一个真实的图像模型, 来研究一个真实的模型的实验性表现。

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