Tenzorická dekompozícia mozgovej aktivity v časovo-priestorovo-frekvenčnej oblasti

Riešitelia: Roman Rosipal, Zuzana Rošťáková

 

Detekcia a zmeny oscilačných rytmov v EEG signáli sú dôležité pre pochopenie procesov prebiehajúcich v ľudskom mozgu počas experimentov zameraných na moduláciu mozgovej aktivity ako aj pre správne fungovanie rozhrania mozog-počítač. V [1] sme vytvorili množinu simulovaných EEG dát kopírujúcich základné vlastnosti reálneho EEG signálu s cieľom rigorózne demonštrovať výhody tenzorickej dekompozície- PARAFAC a Tuckerov model- oproti štandardne používaným metódam v časovo-priestorovej oblasti. Ukázali sme tiež, že ohraničenia dekompozície v priestorovej a frekvenčnej oblasti (unimodalita a bimodalita) vedú k lepšej fyziologickej interpretácií detegovaných latentných komponentov reprezentujúcich oscilačné rytmy. Simulované EEG dáta nám v [2] pomohli určiť vhodnosť, resp. nevhodnosť aplikácie existujúcich metód stanovenia počtu latentných komponentov F v PARAFAC modeli na EEG dáta. Potvrdili sme aj relevantnosť nami navrhovaného heuristického prístupu stanovenia F, ktorý dosiahol porovnateľné výsledky s najlepšou metódou založenou na Bayesovskej štatistike. Vytvorené simulované EEG dáta môžu aj v budúcnosti slúžiť ako štandardizovaná množina so známymi vlastnosťami na ďalšie rigorózne porovnávanie rôznych prístupov analýzy EEG signálu.

 

 

Obr.: Vľavo: Ľudský mozog modelovaný pomocou 2004 dipólov v 3D priestore pri simulovaní 1 minúty EEG dát. Širokopásmová mozgová aktivita bola generovaná pomocou fraktálneho Brownovho pohybu. Sedem dipólov bolo zvolených ako zdroje oscilačnej aktivity na 5 Hz (modrá), 8 Hz (zelená), 11 Hz (žltá) a 14 Hz (červená).

Vpravo: Grafická schéma PARAFAC dekompozície simulovaného EEG signálu v časovo-priestorovo-frekvenčnej oblasti. PARAFAC model detegoval štyri latentné komponenty predstavujúce oscilačnú aktivitu na 5 Hz vo frontálnej oblasti (komponent 1), 8 Hz v centrálnej oblasti (komponent 2), 11 Hz v okcipitálnej oblasti (komponent 3) a 14 Hz v centrálnej oblasti (komponent 4).

Súvisiace projekty: Riešené v rámci projektov APVV-16-0202, APVV-21-0105 a VEGA 2/0023/22.

 

Publikácie:

[1] ROSIPAL, Roman – ROŠŤÁKOVÁ, Zuzana – TREJO, L.J. Tensor decomposition of human narrowband oscillatory brain activity in frequency, space and time. In Biological Psychology, 2022, vol. 169, art.no. 108287. (2021: 3.111 – IF, Q2 – JCR, 1.023 – SJR, Q1 – SJR). ISSN 0301-0511. Dostupné na: https://doi.org/10.1016/j.biopsycho.2022.108287 Typ: ADCA

[2] ROŠŤÁKOVÁ, Zuzana – ROSIPAL, Roman. Determination of the number of components in the PARAFAC model with a nonnegative tensor structure: A simulated EEG data study. In Neural Computing & Applications, 2022, vol. 34, p. 14793-14805. (2021: 5.102 – IF, Q2 – JCR, 1.072 – SJR, Q1 – SJR). ISSN 0941-0643. Dostupné na: https://doi.org/10.1007/s00521-022-07318-x Typ: ADCA