TOWARDS ADAPTIVE BRAIN-COMPUTER INTERFACES:
STATISTICAL INFERENCE FOR MENTAL STATE RECOGNITION
by
MASTANEH TORKAMANI AZAR
Submitted to the Graduate School of Engineering and Natural Sciences in partial fulfillment of the requirements for the degree of
Doctor of Philosophy
Sabancı University
August 2020
© Mastaneh Torkamani Azar 2020
All Rights Reserved
ABSTRACT
TOWARDS ADAPTIVE BRAIN-COMPUTER INTERFACES:
STATISTICAL INFERENCE FOR MENTAL STATE RECOGNITION
MASTANEH TORKAMANI AZAR
Electronics Engineering, Ph.D. Dissertation, August 2020 Dissertation Supervisor: Assoc. Prof. Mujdat CETIN Dissertation Co-Supervisor: Prof. Selim BALCISOY
Keywords: Brain-computer interfaces, adaptive systems, electroencephalography, sensorimotor rhythms, motor imagery, spatio-spectral features, phase connectivity, mental state recognition, cognition, sustained attention, vigilance, SART, statistical signal processing, statistical inference, deep learning, convolutional neural networks,
Bayesian models, changepoint detection.
Brain-computer interface (BCI) systems aim to establish direct communication channels between the brain and external devices. The primary motivation is to enable patients with limited or no muscular control, including amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and stroke patients, to use computers or other devices by automatically interpreting their intent based on the measured brain electrical activity. Furthermore, enabling healthy individuals to use BCI systems as an additional communication channel in certain human computer interaction systems is also a current topic of interest.
Current experimental BCI systems are trained in a supervised fashion and then evaluated during test sessions. With increasing demands for daily and long-term use of BCIs in real-life applications such as in semi-autonomous cars, BCIs have been tested on longer sessions in which researchers have observed considerably lower performance of trained systems. This is believed to be caused by the nonstationary nature of the electroen- cephalographic (EEG) signals. As a result, semi-supervised adaptation of BCI systems based on test data has emerged as a new research domain. One of the main reasons under- lying the nonstationarity of signals involves changes in the users’ cognitive states such as the cognitive load, alertness, attention, fatigue, boredom, and motivation. However, dy- namically extracting information about such cognitive states from EEG signals and using that to improve the performance of BCI systems is currently an open research problem.
In this thesis, we tackle the highly complex problem of estimating the level of alertness and vigilance of users during execution of cognitive tasks. To identify the neural, EEG- based correlates of long-term task and response time consistency, we devise a series of experiments running the sustained attention to response task (SART). After proposing
iii
a novel adaptive scoring scheme for vigilance, we provide new evidence on the close relationship between intrinsic resting and task-related brain networks and develop mod- els to predict consistency in tonic performance and response time using neural networks and feature relevance analysis from spatio-spectral features of resting-state EEG signals.
Next, focusing on the imminent goal of predicting low and high vigilance intervals, we propose fully automated systems based on convolutional neural networks (CNNs) using phase locking value features as successful pre-trial predictors of phasic vigilance and per- formance consistency. In all of these contributions, we consider the personal vigilance traits and individual psychophysiological differences for modeling and detecting the ex- tremely alert and drowsy trials in long and monotonous experiments, and enrich the lit- erature with the evidence on spatio-spectro-temporal correlates of vigilant and consistent behavior.
We then utilize Bayesian changepoint models for sequential inference and detection of instants at which continuous vigilance levels of users enter a new phase. We demonstrate the success of our online and offline vigilance models in detecting changepoints from both the SART datasets collected in our lab and driving datasets that contain vigilance labels.
Finally and as the highlight of this thesis, we hypothesize that the underlying vigilance levels affect users’ reaction time and thus the ability to focus and engage in motor imagery BCI paradigms. We then introduce an adaptive alertness-aware MI classification system for motor imagery BCI that uses a series of novel unsupervised learning schemes for labeling trial vigilance levels during training and test sessions, and leads to a method with full adaptation in both feature extraction and training of its classifier parameters. Three different versions of this adaptive classification approach are introduced that are trained differently on trials labeled with low vigilance levels by our various vigilance clustering schemes. We report improvements in the overall test accuracy of adaptive versions with respect to the original, non-adaptive baseline for our own SPIS MI-BCI dataset and the BCI Competition IV Dataset 2a. A number of datasets collected in our BCI laboratory are uploaded to a public repository at https://github.com/mastaneht.
iv
ÖZET
UYARLANABILIR BEYIN-BILGISAYAR ARAYÜZLERINE DO ˘GRU:
ZIHINSEL DURUM TANIMA IÇIN ˙ISTATISTIKSEL ÇIKARIM
MASTANEH TORKAMANI AZAR
Elektronik Mühendisli˘gi, Doktora Tezi, A˘gustos 2020 Tez Danı¸smanı: Assoc. Prof. Müjdat ÇET˙IN
Tez E¸s-danı¸smanı: Prof. Selim BALCISOY
Anahtar Kelimeler: Beyin-bilgisayar arayüzleri, uyarlanabilir sistemler, elektroensefalografi, sensorimotor ritimler, motor hareketlerin zihinde canlandirilmasi,
uzamsal-izgesel öznitelikler, faz baglantisalligi, zihinsel durum tanima, bilis, sürekli dikkat, uyaniklik, SART, istatistiksel sinyal isleme, istatistiksel çikarim, derin ögrenme,
evrisimli sinir aglari, Bayes modelleri, degisim noktasi tespiti.
Beyin-bilgisayar arayüzü (BBA) sistemleri, beyin ile harici cihazlar arasında do˘grudan ileti¸sim kanalları kurmayı amaçlamaktadır. Bu arayüzleri in¸sa etmek için birincil mo- tivasyon inme ve amyotrofik lateral skleroz (ALS) gibi, kas kontrolü sınırlı olan veya hiç olmayan hastaların, ölçülen beyin elektriksel aktivitelerine dayalı biçimde, niyetlerini otomatik olarak yorumlayarak, bilgisayarları veya di˘ger cihazları kullanmalarını sa˘gla- maktır. Ayrıca, günümüzde sa˘glıklı bireylerin BBA sistemlerini ek bir ileti¸sim kanalı olarak, belirli insan bilgisayar etkile¸sim sistemlerinde, kullanmalarını sa˘glamak da büyük bir ilgi çekmektedir.
Mevcut deneysel BBA sistemleri gözetimli bir ¸sekilde e˘gitilip daha sonra test oturumu verilerinde de˘gerlendirmektedir. BBA’ların günlük ve uzun vadeli, örne˘gin yarı otonom arabalarda, kullanımına yönelik artan taleplerle, bu tür sistemler daha uzun zamanlı otu- rumlarda test edilmi¸stir, ve bu ba˘glamda ara¸stırmacılar e˘gitimli sistemlerin ba¸sarımlarının önemli ölçüde dü¸stü˘günü gözlemlemi¸sler. Bunun elektroensefalografik (EEG) sinyal- lerin dura˘gan olmayan do˘gasından kaynaklandı˘gına inanılmaktadır. Bunun sonucunda, test oturumları sırasında bu tür de˘gi¸sikliklere uyum sa˘glayan, yarı gözetimli ö˘grenme ile uyarlanabilir BBA’ların tasarlanması yeni bir ara¸stırma alanı olarak ortaya çıkmı¸stır.
Bu sinyallerin dura˘gan olmamasının temel nedenlerinden biri, kullanıcıların bili¸ssel yük, uyanıklık, dikkat, yorgunluk, can sıkıntısı ve motivasyon gibi bili¸ssel durumlarındaki de˘gi¸sikliklerdir. Ancak, EEG sinyallerinden bu tür bili¸ssel durumlar hakkındaki bilgi- leri dinamik olarak çıkarmak ve bunu BBA sistemlerinin ba¸sarımlarını iyile¸stirmek için kullanmak önemli ve hâlâ çözülememi¸s zor bir ara¸stırma sorunudur.
Biz bu tezde çok karma¸sık bir sorun olan, bili¸ssel görevlerin yürütülmesi sırasında kul-
v
lanıcıların uyanıklık ve dikkat düzeyini tahmin etmeyi ele alıyoruz. Uzun vadeli görev ve tepki süresi tutarlılıklarının nöral, EEG tabanlı ilintilerini belirlemek için tepki görevine sürekli dikkat (SART) testine dayalı bir dizi deney tasarlıyoruz. Uyanıklık için yeni bir uyarlanabilir puanlama ¸seması önerdikten sonra, içsel dinlenme ve görevle ilgili beyin a˘gları arasındaki yakın ili¸ski hakkında yeni kanıtlar sa˘glıyor ve sinir a˘gları ve dinlenme durumu EEG sinyallerinin uzamsal-izgesel öznitelikleri üzerinde alaka analizi kullanarak tonsal ba¸sarım ve tepki süresindeki tutarlılı˘gı öngörmek için modeller geli¸stiriyoruz. Daha sonra, dü¸sük ve yüksek uyanıklık aralıklarını öngörmek hedefine odaklanıp, evresel uyanık- lı˘gın ve ba¸sarım tutarlılı˘gının ba¸sarılı öngörücüleri olarak evre kilitleme de˘geri öznitelik- lerini kullanan, evri¸simli sinir a˘glarına (CNN’ler) dayalı tam otomatik sistemler öneriy- oruz. Bu katkılarımızın tümünde, uzun ve monoton deneylerdeki a¸sırı uyanık ve uykulu aralıkları modellemek ve tespit etmek için ki¸sisel uyanıklık özniteliklerini ve bireysel psikofizyolojik farklılıkları dikkate alıyoruz, ve literatürü, uyanık ve tutarlı davranı¸sın uzamsal-izgesel-zamansal ilintilerine dair kanıtlarla zenginle¸stiriyoruz.
Ardından, kullanıcıların sürekli uyanıklık seviyelerinin yeni bir a¸samaya girdi˘gi anların sıralı çıkarımı ve tespiti için de˘gi¸sim noktası modellerini kullaniyoruz. Çevrimiçi ve çevrimdı¸sı uyanıklık modellerimizin, hem laboratuvarımızda toplanan SART veri kümele- rinde hem de uyanıklık etiketleri içeren sürü¸s veri kümelerinde de˘gi¸sim noktalarını ba¸sarılı olarak tespit etmesini gösteriyoruz. Sonunda, bu tezin en öne çıkan katkısı olarak, altta yatan uyanıklık seviyelerinin kullanıcıların tepki verme süresini ve dolayısıyla BBA mo- tor hareketlerini zihinde canlandırmaya odaklanma kabiliyetini etkiledi˘gini varsayıyoruz.
Daha sonra, e˘gitim ve test oturumları sırasında aralıkların uyanıklık seviyelerini etiketle- mek için bir dizi yeni gözetimsiz ö˘grenme ¸seması kullanan ve hem öznitelik çıkarımı hem de sınıflandırıcı parametrelerinin e˘gitiminde tam uyarlanma özelli˘gine sahip bir yönteme yol açan Hayali Motor Hareketleri Tabanlı BBA için bir Uyarlanabilir Uyarılılı˘ga dayalı Sınıflandırmayı sunuyoruz. Bu uyarlanabilir sınıflandırma yakla¸sımının, çe¸sitli uyanıklık kümeleme ¸semalarımız tarafından dü¸sük uyanıklık seviyeleriyle etiketlenmi¸s aralıklarda farklı ¸sekilde e˘gitilmi¸s üç farklı versiyonu tanıtılıyor. Sonuç olarak, kendi SPIS MI-BCI veri kümemiz ve BCI Competitıon IV 2a veri kümesi için orijinal, uyarlanabilir olmayan temele göre uyarlanabilir versiyonların genel test do˘grulu˘gundaki geli¸smeleri rapor ediy- oruz. BBA laboratuvarımızda toplanan birkaç veri kümesi, ¸su adreste halka açık bir de- poya yüklenmi¸stir https://github.com/mastaneht.
vi
ACKNOWLEDGEMENTS
From the moment I was admitted to Sabanci University, I have been blessed for being guided and supported by my supervisor Prof. Müjdat Çetin whose visions and mentorship have gone beyond shaping the project to which the current thesis belongs and resulted in utmost personal and professional growth for me. It has been an absolute honor to intro- duce myself as his student and hear nothing but appreciation and acknowledgment of his shining personality and his achievements in signal processing and statistical inference.
I am especially and deeply grateful for having worked with a true leader who cared for all of his students and made sure they had a safe and encouraging environment to share their opinions. Prof. Çetin has this sheer ability of explaining the most complicated prob- lems in an amazing way, and that has immensely contributed to my love and passion for teaching. I hope the achievements of this work are up to his standards and expectations.
In addition, I am greatly indebted and honored for my collaboration with Prof. Serap Aydın. I appreciate our ongoing discussions as well as our common interests and pas- sion for mathematical modeling of human cognition and neural disorders. Prof. Aydın has constantly brought new perspectives to our project and I look forward to our contin- ued collaboration. I also appreciate and acknowledge long discussions with Prof. Sinan Yıldırım and his special talent in modeling the most complicated biomedical problems in an amazingly simple way, and for delivering the incredibly insightful course on Bayesian statistics and Markov Chain Monte Carlo.
I sincerely thank my dissertation jury members Prof. Selim Balcısoy, Prof. Kemal Kılıç, and Prof. Devrim Ünay for sharing their knowledge throughout these years and for their careful evaluation of my work. Their highly insightful feedback and suggestions have helped to improve the quality and applicability of this dissertation.
Our work on this TÜB˙ITAK project 1 would not have been completed without the con- stant collaboration and brainstorming with two dear postdoctoral colleagues, Dr. Sumeyra Demir Kanik and Dr. Aysa Jafari Farmand. Thank you both for helping to shape the re- search and experimental directions and for all the sleepless nights of discussion, data analysis, and writing. At times we were immensely puzzled by the uncertainty of exper- imental design and complexities of modeling the human brain, but I think we can now take a deep breath and claim that we did our part although we now have even more ideas to work on and will be in touch for the years to come.
My interest in biomedical engineering and biosignal processing for the greater goal of neurorehabilitation has been shaped by several knowledgeable professors who provided amazing opportunities for me to learn and teach in academia and understand the real needs of individuals affected by neuromuscular disorders. I would like to remember and
1