A convolutional spiking neural network with adaptive coding for motor imagery classification

计算机科学 人工智能 可解释性 尖峰神经网络 卷积神经网络 模式识别(心理学) 特征提取 人工神经网络 运动表象 机器学习 脑-机接口 脑电图 心理学 精神科
作者
Xiaojian Liao,Yuli Wu,Zi Wang,Deheng Wang,Hongmiao Zhang
出处
期刊:Neurocomputing [Elsevier]
卷期号:549: 126470-126470
标识
DOI:10.1016/j.neucom.2023.126470
摘要

Motor imagery (MI) signal classification is crucial for brain-computer interfaces (BCI). The third-generation neural network, spiking neural network (SNN), has rich neurodynamic properties in the spatiotemporal domain, and therefore it is more suitable for processing EEG signals. However, the feature extraction capability of the SNN previously applied to MI signal classification is limited by its structure, and the model’s classification accuracy is not comparable to the state-of-the-art algorithms. In this paper, we propose a spiking neural network model called SCNet, which combines the feature extraction capability of CNN with the biological interpretability of SNN, making the model structurally closer to the biological neuronal dynamical system and improving the classification accuracy. SCNet reduces information loss by adaptive coding with learnability and solves the training difficulties of spiking neural networks by surrogate gradient learning. We evaluated the performance of the proposed SCNet on three typically representative motor imagery datasets. The validation shows that the model outperforms state-of-the-art SNN-based MI classification methods and various ANN and machine learning methods. The experimental results demonstrate the generality and effectiveness of the proposed motor imagery EEG signal classification model. Better classification results can be obtained by designing a well-structured spiking neural network.
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