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。

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