脑电大模型系列——第一弹:BENDR

论文基本信息

Paper: BENDR: Using Transformers and a Contrastive Self-Supervised Learning Task to Learn From Massive Amounts of EEG

机构: UofT (多伦多大学)

Publication: Frontiers in Human Neuroscience

Year: 2021

背景

脑机接口(BCI)领域面临一个根本性困境:深度神经网络(DNN)需要大量数据训练,但高质量的标注EEG数据极其稀缺。具体来说:

  • 收集并标注100个BCI试验比标注100张图像困难得多
  • 传统浅层神经网络在BCI中表现反而优于深层网络,因为深层网络容易过拟合
  • EEG数据存在巨大的个体差异(不同被试、不同会话、不同设备)

BENDR开辟了"基础模型"(Foundation Model)路线在脑科学中的应用:通过自监督学习从海量无标注神经生理数据中提取通用表征,再适配特定临床或BCI应用。

方法

预训练数据集:TUEG👇

  • Temple University Hospital EEG Corpus
  • 10,000+被试,临床记录,年龄1-90+岁,51%女性
  • 部分被试间隔8个月多次记录
  • 使用19通道10-20系统,约1.5TB原始数据
  • 提取60秒片段(15,360样本),用于学习通用EEG分布

预处理:首先做每段序列的线性缩放和平移,把该段的幅值范围归一到 -1, 1;但为了不完全丢掉"全数据集相对幅度信息",额外加入一个常数通道编码该段相对幅值范围(相对整个数据集的 max-min 比例)。然后将原始EEG信号统一重采样到256Hz。最后针对不同规格脑电帽的异构问题进行通道统一化处理,把通道对齐到 10-20 导联标准中的19个EEG 通道;缺失通道补 0,多余通道丢弃;加上前面的相对幅度常数通道,最终固定为 20 通道输入。

预训练:经过预处理后的信号先通过6层1D卷积编码器下采样96倍生成BENDR表示序列,再经掩码处理(5%概率随机选择初始起点,连续掩码10个向量)输入8层Transformer编码器生成上下文表示,针对掩码位置计算对比学习损失,即最大化该位置Transformer输出与原始BENDR表示的余弦相似度,同时最小化与20个同序列负样本的相似度,迫使模型学习从上下文推断缺失信号特征的通用EEG表示能力。

实验

在未见过的新数据集、新被试、新设备上,作者挑了 5 个典型范式,覆盖 MI、ERP(P300/ERN)、睡眠分期(SSC):

  • MMI(MI 二分类 L/R):160Hz,64ch,105 subjects,5 folds
  • BCIC(MI 四分类 L/R/F/T):250Hz,22ch,9 subjects,9 folds(基本 LOSO)
  • ERN(错误相关负波 二分类):200Hz,56ch,26 subjects(另有 10 个 held-out test subjects),4 folds
  • P300(P300 speller 二分类):2048Hz,64ch,9 subjects,9 folds
  • SSC(Sleep staging 五分类):100Hz,2ch,83 subjects,10 folds

总结

BENDR证明,通过借鉴NLP的BERT技术,用掩码对比学习从大规模无标注EEG数据中学习通用神经表示,可以有效解决脑机接口中的跨任务泛化难题,为深度学习在脑科学中的应用开辟了新路径,为之后脑电大模型研究奠定了基础。
代码开源链接。

相关推荐
飞思实验室2 小时前
卓翼智能飞思实验室赋能职业院校,助力斩获中国机器人及人工智能大赛一等奖
人工智能·机器人
I Am a robert girl2 小时前
VideoLoop:用循环工作记忆对抗长视频 Agent 的语义抖动
大数据·人工智能·机器学习·多模态agent·长视频理解·工作记忆·语义抖动
55873 生态系统2 小时前
龙萨先生,文明架构师|1817册典籍如何被AI读取?——“可复核文明知识库“的体系化构建实践
人工智能·55873全域文明生态体系·55873操作系统·全域文明生态系统·55873技术底层·55873数字资产
我是海飞2 小时前
杰理 JL703N SDK 实现 AI 自动化调试:自动进入下载模式、下载、重启与日志抓取
人工智能·单片机·自动化·音视频·杰理
海海不掉头发2 小时前
软件开发方法第七周笔记_CSDN博客
人工智能·笔记·学习·软件工程
虎头金猫2 小时前
从上传PPT到观众远程打开互动页面:Claper在CentOS 7上的Docker部署、互动组件设置与固定访问地址实战
linux·运维·网络·人工智能·docker·centos·powerpoint
龙亘川2 小时前
水质决策报表业务建模:从自定义报表到六时间尺度自动报表闭环
大数据·人工智能·智慧城市·开源软件
科研小牛马2 小时前
北航何静:Codex调用SketchUp实操,常见智能体均适用
人工智能
机器人梦想家2 小时前
【AI工具】Task Kit:把 Spec Kit 的契约化思想搬来管日常工作
人工智能
ck0135792 小时前
图片抠图怎么做?从背景去除到透明 PNG 的实用教程
人工智能·测试工具·音视频·媒体·视频