Objective Kalman filtering has previously been applied to track neural model states and parameters, particularly at the scale relevant to EEG. However, this approach lacks a reliable method to determine the initial filter conditions and assumes that the distribution of states remains Gaussian. This study presents an alternative, data-driven method to track the states and parameters of neural mass models (NMMs) from EEG recordings using deep learning techniques, specifically an LSTM neural network. Approach An LSTM filter was trained on simulated EEG data generated by a neural mass model using a wide range of parameters. With an appropriately customised loss function, the LSTM filter can learn the behaviour of NMMs. As a result, it can output the state vector and parameters of NMMs given observation data as the input. Main Results Test results using simulated data yielded correlations with R squared of around 0.99 and verified that the method is robust to noise and can be more accurate than a nonlinear Kalman filter when the initial conditions of the Kalman filter are not accurate. As an example of real-world application, the LSTM filter was also applied to real EEG data that included epileptic seizures, and revealed changes in connectivity strength parameters at the beginnings of seizures. Significance Tracking the state vector and parameters of mathematical brain models is of great importance in the area of brain modelling, monitoring, imaging and control. This approach has no need to specify the initial state vector and parameters, which is very difficult to do in practice because many of the variables being estimated cannot be measured directly in physiological experiments. This method may be applied using any neural mass model and, therefore, provides a general, novel, efficient approach to estimate brain model variables that are often difficult to measure.


翻译:目标卡尔曼过滤器过去曾被用于跟踪神经模型的状态和参数,特别是在与 EEG 相关的尺度上。然而,这一方法缺乏可靠的方法来确定初始过滤条件,并假设国家分布仍是高斯。本研究提供了一种替代的、数据驱动的方法,用于跟踪EEG 记录中神经质量模型(NMMM)的状态和参数,使用了深层学习技术,特别是LSTM 神经网络。一个LSTM过滤器在使用广泛参数的神经质量模型生成的模拟 EEEG 数据上进行了培训。在适当定制的损失功能下,LSTM 过滤器可以学习NMM 的变量。因此,它可以输出NMMM的状态矢量和参数作为输入。主要结果通过模拟数据生成了与R平方约0.99的神经质量模型的关联,并证实该方法对噪音的坚固度比非线卡曼过滤器更准确,因此,Kalman 过滤器的初始条件不准确。作为实例,LSTM 过滤器在实际应用的模型中可以学习NMMM 的变量过滤器可以了解 NMM 变量的变量的变异变量, 也开始用于真实的精确度测测测测测测测测测测,因为EGeg 数据, 。在实际的模型中测测测测测测测测测度数据中,因此, 正在测测测测测测测测测测测测测的大脑的深度数据中, 度数据中, 度数据中,因此测测测为 度数据系中, 测测测测测测测测测测测测测测测测测测度中,因此测测测测度数据在EGGEG 。

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