State-of-the-art performance in electroencephalography (EEG) decoding tasks is currently often achieved with either Deep-Learning or Riemannian-Geometry-based decoders. Recently, there is growing interest in Deep Riemannian Networks (DRNs) possibly combining the advantages of both previous classes of methods. However, there are still a range of topics where additional insight is needed to pave the way for a more widespread application of DRNs in EEG. These include architecture design questions such as network size and end-to-end ability as well as model training questions. How these factors affect model performance has not been explored. Additionally, it is not clear how the data within these networks is transformed, and whether this would correlate with traditional EEG decoding. Our study aims to lay the groundwork in the area of these topics through the analysis of DRNs for EEG with a wide range of hyperparameters. Networks were tested on two public EEG datasets and compared with state-of-the-art ConvNets. Here we propose end-to-end EEG SPDNet (EE(G)-SPDNet), and we show that this wide, end-to-end DRN can outperform the ConvNets, and in doing so use physiologically plausible frequency regions. We also show that the end-to-end approach learns more complex filters than traditional band-pass filters targeting the classical alpha, beta, and gamma frequency bands of the EEG, and that performance can benefit from channel specific filtering approaches. Additionally, architectural analysis revealed areas for further improvement due to the possible loss of Riemannian specific information throughout the network. Our study thus shows how to design and train DRNs to infer task-related information from the raw EEG without the need of handcrafted filterbanks and highlights the potential of end-to-end DRNs such as EE(G)-SPDNet for high-performance EEG decoding.


翻译:电极脑电图(EEG)解码任务中的最新性能通常是通过深度学习或黎曼几何解码器实现的。最近,越来越多的人对深度黎曼网络(DRN)产生了兴趣,可能结合了先前方法的优点。然而,仍有许多领域需要进一步探究,为DRN在EEG中的广泛应用铺平道路。这些领域包括网络结构设计问题,例如网络大小和端到端能力以及模型训练问题。这些因素如何影响模型性能尚未被探索。此外,目前不清楚这些网络中的数据如何变换,以及这是否与传统EEG解码相关。我们的研究旨在通过分析具有广泛超参数的EEG DRN来奠定这些领域的基础。在两个公共EEG数据集上测试了网络,并与最先进的卷积神经网络进行了比较。我们这里提出了端到端EEG SPDNet(EE(G)-SPDNet),并且我们展示这种广泛的端到端DRN能够优于卷积神经网络,并在此过程中使用生理上合理的频率区域。我们还表明,端到端方法比传统的带通滤波器定位于EEG的经典α、β和γ频带的复杂滤波器更能学习复杂的滤波器,并且性能可以从通道特定的滤波器方法中受益。此外,架构分析揭示了由于全过程网络丢失黎曼特定信息的可能性而需要进一步改进的领域。因此,我们的研究展示了如何设计和训练DRN,以从原始EEG中推断任务相关信息,而无需手工制作的滤波器组,并强调了端到端DRN(例如EE(G)-SPDNet)用于高性能EEG解码的潜力。

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