Automated sleep staging is a fundamental application of passive Brain-Computer Interfaces (pBCI), decoding spontaneous neural states to enable closed-loop interventions independent of user intent. This study evaluates criticality features derived from Detrended Fluctuation Analysis (DFA) for the specific identification of deep sleep (N3). We analyzed $347,232$ EEG epochs from $290$ older women using UMAP manifold learning to visualize state transitions. Subsequently, six classifiers were benchmarked via 10-fold cross-validation, using balanced accuracy to determine the optimal "state-sensing" engine for neurofeedback.Naive Bayes achieved the highest mean balanced accuracy ($87.17\% \pm 0.24\%$), significantly outperforming a fully connected deep neural network (FNN: $81.58\%$) and Random Forest ($80.97\%$). Linear models (LDA: $57.21\%$; SVM: $51.01\%$) performed poorly, indicating that DFA-derived criticality features reside on a distinct, non-linear manifold. Probabilistic decoding of EEG criticality provides a high-accuracy sensing mechanism for pBCIs. This robust classification pipeline supports the development of state-dependent neurofeedback, such as targeted auditory stimulation, to enhance cognitive recovery.


翻译:自动睡眠分期是被动脑机接口(pBCI)的基础应用,通过解码自发性神经状态,在无需用户意图的情况下实现闭环干预。本研究评估了基于去趋势波动分析(DFA)的临界性特征在特定识别深度睡眠(N3)中的效果。我们利用UMAP流形学习分析了来自290名老年女性的347,232个脑电周期,以可视化状态转换。随后,通过10折交叉验证对六种分类器进行基准测试,使用平衡准确率确定用于神经反馈的最优“状态感知”引擎。朴素贝叶斯获得了最高的平均平衡准确率(87.17% ± 0.24%),显著优于全连接深度神经网络(FNN:81.58%)和随机森林(80.97%)。线性模型(LDA:57.21%;SVM:51.01%)表现不佳,表明DFA衍生的临界性特征位于一个独特的非线性流形上。脑电信号临界性的概率解码为pBCI提供了高准确度的感知机制。这一稳健的分类流程支持了状态依赖性神经反馈(如靶向听觉刺激)的发展,以促进认知恢复。

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