Distinguishing discrete and continuous behavioral variability using warped autoregressive HMMs

自回归模型 动态时间归整 潜变量 计算机科学 隐马尔可夫模型 神经行为学 图像扭曲 人工智能 音节 语音识别 模式识别(心理学) 心理学 数学 认知心理学 统计 感觉系统
作者
Julia C. Costacurta,Lea Duncker,Blue Sheffer,Winthrop F. Gillis,Caleb Weinreb,Jeffrey E. Markowitz,Sandeep Robert Datta,Alex H. Williams,Scott W. Linderman
标识
DOI:10.1101/2022.06.10.495690
摘要

Abstract A core goal in systems neuroscience and neuroethology is to understand how neural circuits generate naturalistic behavior. One foundational idea is that complex naturalistic behavior may be composed of sequences of stereotyped behavioral syllables, which combine to generate rich sequences of actions. To investigate this, a common approach is to use autoregressive hidden Markov models (ARHMMs) to segment video into discrete behavioral syllables. While these approaches have been successful in extracting syllables that are interpretable, they fail to account for other forms of behavioral variability, such as differences in speed, which may be better described as continuous in nature. To overcome these limitations, we introduce a class of warped ARHMMs (WARHMM). As is the case in the ARHMM, behavior is modeled as a mixture of autoregressive dynamics. However, the dynamics under each discrete latent state (i.e. each behavioral syllable) are additionally modulated by a continuous latent “warping variable.” We present two versions of warped ARHMM in which the warping variable affects the dynamics of each syllable either linearly or nonlinearly. Using depth-camera recordings of freely moving mice, we demonstrate that the failure of ARHMMs to account for continuous behavioral variability results in duplicate cluster assignments. WARHMM achieves similar performance to the standard ARHMM while using fewer behavioral syllables. Further analysis of behavioral measurements in mice demonstrates that WARHMM identifies structure relating to response vigor.

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