Analyzing electroencephalographic (EEG) time series can be challenging, especially with deep neural networks, due to the large variability among human subjects and often small datasets. To address these challenges, various strategies, such as self-supervised learning, have been suggested, but they typically rely on extensive empirical datasets. Inspired by recent advances in computer vision, we propose a pretraining task termed "frequency pretraining" to pretrain a neural network for sleep staging by predicting the frequency content of randomly generated synthetic time series. Our experiments demonstrate that our method surpasses fully supervised learning in scenarios with limited data and few subjects, and matches its performance in regimes with many subjects. Furthermore, our results underline the relevance of frequency information for sleep stage scoring, while also demonstrating that deep neural networks utilize information beyond frequencies to enhance sleep staging performance, which is consistent with previous research. We anticipate that our approach will be advantageous across a broad spectrum of applications where EEG data is limited or derived from a small number of subjects, including the domain of brain-computer interfaces.


翻译:分析脑电图(EEG)时间序列具有挑战性,尤其是在深度神经网络应用中,这源于人类受试者间的高度变异性以及通常较小的数据集规模。为应对这些挑战,已有研究者提出自监督学习等多种策略,但这些方法通常依赖于大规模经验数据集。受计算机视觉领域最新进展的启发,我们提出一种名为“频率预训练”的预训练任务,通过预测随机生成合成时间序列的频率内容来预训练睡眠分期神经网络。实验表明,在数据有限且受试者较少的场景下,我们的方法超越了全监督学习,在受试者众多的场景中也能达到同等性能。此外,研究结果既凸显了频率信息对睡眠分期评分的重要性,也证实深度神经网络能利用频率以外的信息提升睡眠分期性能——这与前人研究结论一致。我们预期该方法将广泛应用于脑电图数据有限或仅来源于少量受试者的场景,包括脑机接口领域。

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神经网络(Neural Networks)是世界上三个最古老的神经建模学会的档案期刊:国际神经网络学会(INNS)、欧洲神经网络学会(ENNS)和日本神经网络学会(JNNS)。神经网络提供了一个论坛,以发展和培育一个国际社会的学者和实践者感兴趣的所有方面的神经网络和相关方法的计算智能。神经网络欢迎高质量论文的提交,有助于全面的神经网络研究,从行为和大脑建模,学习算法,通过数学和计算分析,系统的工程和技术应用,大量使用神经网络的概念和技术。这一独特而广泛的范围促进了生物和技术研究之间的思想交流,并有助于促进对生物启发的计算智能感兴趣的跨学科社区的发展。因此,神经网络编委会代表的专家领域包括心理学,神经生物学,计算机科学,工程,数学,物理。该杂志发表文章、信件和评论以及给编辑的信件、社论、时事、软件调查和专利信息。文章发表在五个部分之一:认知科学,神经科学,学习系统,数学和计算分析、工程和应用。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/nn/
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