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Piecewise polynomial regression with fractional residuals for the analysis of calcium imaging data

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Dissertation
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Zusammenfassung

In this work we deal with the mathematical analysis and application of piecewise (or segmented) polynomial regression. Motivated by an application in neurobiology we allow the residual processes of our model to exhibit long memory, short memory or antipersistence.



As a solid biological background is essential for understanding the application in this work, we start with an introduction to neurobiology and the related experimental techniques. We conclude this introduction with a sample of data sets by means of which we illustrate piecewise polynomial regression.



Thereafter, we discuss least squares estimation with piecewise polynomials when the residuals exhibit antipersistence, short memory or long memory. This purely mathematical discussion is completely detached from the initial biological application. We start with an introduction to the related mathematical foundations and then discuss consistency and the asymptotic properties of the least squares estimator. In addition to the usual least squares estimator we treat the weighted least squares estimator as well. The asymptotic distribution is represented as a stochastic integral with respect to a fractional Brownian motion (in the case of antipersistence, short memory or long memory) or as a stochastic integral with respect to a Hermite process (in the case of long memory). We derive our results by means of fractional calculus which allows us to state a unifying formula of the asymptotic covariance matrix which covers all three correlation structures. In the case of an unknown number of segments we show that an information criterion can be used to estimated this unknown number. However, as the precise normalisation of the information criterion depends on the underlying correlation structure of the residuals, the latter results is only of theoretical interest.



We conclude this work by applying the derived methods on a large biological data sets. In this analysis, we apply piecewise polynomials to estimate the trend function of temporal response patterns. These estimates serve then as an input for an errors-in-variables regression model.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der mathematischen Analyse stückweiser (segmentierter) polynomialer Regressionsmodelle mit verschiedenen Korrelationsstrukturen (long memory, short memory und Antipersistenz) in den Residuen sowie die Anwendung dieser Modelle in der Kodierung olfaktorischer Informationen im Insektengehirn. Da für das Verständnis der Anwendung ein gewisses biologisches Hintergrundwissen notwendig ist, werden zunächst grundlegende Begriffe aus der Neurobiologie sowie die dazugehörige experimentelle Methodik eingeführt. Die biologische Einführung schließt mit Vorstellung einiger Datenbeispiele anhand derer die Möglichkeiten stückweiser polynomialer Regression illustriert werden. Losgelöst von dieser Anwendung findet in den zwei danach folgenden Kapiteln eine rein mathematische Diskussion der kleinste Quadrat Schätzung bei stückweisen Polynomen statt. Nach einer Einführung der grundlegenden mathematische Begriffe werden Konsistenz und die asymptotischen Eigenschaften des kleinste Quadrat Schätzers diskutiert. Neben dem üblichen kleinste Quadrat Schätzer schließt diese Diskussion auch den gewichteten kleinste Quadrat Schätzer ein. Die asymptotische Verteilung wird mit Hilfe einer gebrochenen Brownschen Bewegung (im Falle von Antipersistenz, short memory oder long memory) oder eines Hermite Prozesses (im Falle von long memory) dargestellt. Die Beweisführung stützt sich dabei wesentlich auf die Methoden des fractional calculus.



Dies ermöglicht unter anderem, die asymptotische Kovarianzmatrix des kleinste Quadrat Schätzers für alle drei Korrelationsstrukturen einheitlich darzustellen. Im Falle einer unbekannten Anzahl von Segmenten wird gezeigt, dass diese mit Hilfe eines Informationskriteriums theoretisch konsistent geschätzt werden kann. Da jedoch die genaue Normalisierung des Informationskriteriums von der zugrunde liegenden Korrelationsstruktur der Residuen abhängt, hat dieses letzte Resultat nur eine theoretische Bedeutung



Die Dissertation schließt mit einer Anwendung der hergeleiteten Methoden auf einen umfangreichen biologischen Datensatz. Dabei werden stückweise Polynome zur Trendschätzung bei neurobiologischen Zeitreihen verwendet. Diese Schätzungen werden anschließend mit Hilfe eines errors-in-variables Modells verglichen.

Fachgebiet (DDC)
510 Mathematik

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ISO 690WEIERSHÄUSER, Arno, 2012. Piecewise polynomial regression with fractional residuals for the analysis of calcium imaging data [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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February 6, 2012
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