The electroencephalogram (EEG) has been the gold standard for quantifying mental workload; however, due to its complexity and non-portability, it can be constraining. ECG signals, which are feasible on wearable equipment pieces such as headbands, present a promising method for cognitive state monitoring. This research explores whether electrocardiogram (ECG) signals are able to indicate mental workload consistently and act as surrogates for EEG-based cognitive indicators. This study investigates whether ECG-derived features can serve as surrogate indicators of cognitive load, a concept traditionally quantified using EEG. Using a publicly available multimodal dataset (OpenNeuro) of EEG and ECG recorded during working-memory and listening tasks, features of HRV and Catch22 descriptors are extracted from ECG, and spectral band-power with Catch22 features from EEG. A cross-modal regression framework based on XGBoost was trained to map ECG-derived HRV representations to EEG-derived cognitive features. In order to address data sparsity and model brain-heart interactions, we integrated the PSV-SDG to produce EEG-conditioned synthetic HRV time series.This addresses the challenge of inferring cognitive load solely from ECG-derived features using a combination of multimodal learning, signal processing, and synthetic data generation. These outcomes form a basis for light, interpretable machine learning models that are implemented through wearable biosensors in non-lab environments. Synthetic HRV inclusion enhances robustness, particularly in sparse data situations. Overall, this work is an initiation for building low-cost, explainable, and real-time cognitive monitoring systems for mental health, education, and human-computer interaction, with a focus on ageing and clinical populations.


翻译:脑电图(EEG)一直是量化心理工作负荷的金标准,但其复杂性和非便携性可能带来限制。心电图(ECG)信号在头带等可穿戴设备上易于采集,为认知状态监测提供了一种前景广阔的方法。本研究探讨心电图信号是否能够稳定指示心理工作负荷,并作为基于脑电的认知指标的替代指标。研究利用公开的多模态数据集(OpenNeuro),该数据集记录了工作记忆与听觉任务期间的脑电和心电信号,从心电信号中提取心率变异性特征与Catch22描述符,从脑电信号中提取频段功率及Catch22特征。基于XGBoost构建跨模态回归框架,将心电衍生的心率变异性表征映射至脑电衍生的认知特征。为应对数据稀疏性并建模大脑-心脏交互,本研究集成PSV-SDG方法生成脑电条件化的合成心率变异性时间序列。该方法通过融合多模态学习、信号处理与合成数据生成技术,解决了仅依靠心电特征推断认知负荷的挑战。研究成果为在非实验室环境下通过可穿戴生物传感器实现轻量化、可解释的机器学习模型奠定了基础。合成心率变异性数据的引入增强了模型鲁棒性,尤其在数据稀疏场景下表现显著。总体而言,本研究为构建面向心理健康、教育及人机交互领域的低成本、可解释、实时认知监测系统提供了初步框架,尤其关注老年与临床人群的应用需求。

0
下载
关闭预览

相关内容

基于 Transformer 的脑电解码综述询问 ChatGPT
专知会员服务
12+阅读 · 2025年7月6日
【AI+军事】附论文《感受到的压力和脑网络效率》
专知会员服务
16+阅读 · 2022年5月18日
专知会员服务
21+阅读 · 2021年6月18日
专家报告 | 类脑智能与类脑计算
中国图象图形学报
19+阅读 · 2019年10月9日
图神经网络最近这么火,不妨看看我们精选的这七篇
人工智能前沿讲习班
37+阅读 · 2018年12月10日
【AAAI专题】论文分享:以生物可塑性为核心的类脑脉冲神经网络
中国科学院自动化研究所
15+阅读 · 2018年1月23日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
【CMU博士论文】迈向可解释机器学习的理论基础
专知会员服务
0+阅读 · 4分钟前
基于数据优化的人机协同与机器人僚机
专知会员服务
4+阅读 · 今天2:08
美陆军设想无人系统司令部
专知会员服务
3+阅读 · 4月15日
【博士论文】已对齐人工智能系统的持久脆弱性
相关VIP内容
基于 Transformer 的脑电解码综述询问 ChatGPT
专知会员服务
12+阅读 · 2025年7月6日
【AI+军事】附论文《感受到的压力和脑网络效率》
专知会员服务
16+阅读 · 2022年5月18日
专知会员服务
21+阅读 · 2021年6月18日
相关基金
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员