Event-related potentials (ERP) are measurements of brain activity with wide applications in basic and clinical neuroscience, that are typically estimated using the average of many trials of electroencephalography signals (EEG) to sufficiently reduce noise and signal variability. We introduce EEG2ERP, a novel uncertainty-aware autoencoder approach that maps an arbitrary number of EEG trials to their associated ERP. To account for the ERP uncertainty we use bootstrapped training targets and introduce a separate variance decoder to model the uncertainty of the estimated ERP. We evaluate our approach in the challenging zero-shot scenario of generalizing to new subjects considering three different publicly available data sources; i) the comprehensive ERP CORE dataset that includes over 50,000 EEG trials across six ERP paradigms from 40 subjects, ii) the large P300 Speller BCI dataset, and iii) a neuroimaging dataset on face perception consisting of both EEG and magnetoencephalography (MEG) data. We consistently find that our method in the few trial regime provides substantially better ERP estimates than commonly used conventional and robust averaging procedures. EEG2ERP is the first deep learning approach to map EEG signals to their associated ERP, moving toward reducing the number of trials necessary for ERP research. Code is available at https://github.com/andersxa/EEG2ERP


翻译:事件相关电位(ERP)是脑活动的一种测量方法,在基础与临床神经科学中应用广泛,通常通过对多轮脑电图信号(EEG)进行平均来估计,以充分降低噪声和信号变异性。本文提出EEG2ERP,一种新颖的不确定性感知自编码器方法,可将任意数量的EEG试验映射至其对应的ERP。为处理ERP的不确定性,我们采用自助法训练目标,并引入独立的方差解码器来建模估计ERP的不确定性。我们在具有挑战性的零样本场景下评估该方法,即泛化至新受试者,并考虑了三个不同的公开数据源:i) 包含40名受试者、跨越六种ERP范式的超过50,000次EEG试验的综合ERP CORE数据集;ii) 大型P300拼写器脑机接口数据集;iii) 包含EEG和脑磁图(MEG)数据的面部感知神经影像数据集。我们一致发现,在少量试验条件下,本方法提供的ERP估计显著优于常用的传统及稳健平均方法。EEG2ERP是首个将EEG信号映射至其对应ERP的深度学习方法,有助于减少ERP研究所需的试验次数。代码发布于 https://github.com/andersxa/EEG2ERP

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