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A Long Short-Term Memory Network for Sparse Spatiotemporal EEG Source Imaging

欠定系统 计算机科学 脑电图 人工智能 循环神经网络 反问题 噪音(视频) 模式识别(心理学) 神经影像学 人工神经网络 算法 图像(数学) 神经科学 数学 生物 数学分析
作者
Joyce Chelangat Bore,Peiyang Li,Lin Jiang,Walid M. A. Ayedh,Chunli Chen,Dennis Joe Harmah,Dezhong Yao,Zehong Cao,Peng Xu
出处
期刊:IEEE Transactions on Medical Imaging [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:40 (12): 3787-3800 被引量:36
标识
DOI:10.1109/tmi.2021.3097758
摘要

EEG inverse problem is underdetermined, which poses a long standing challenge in Neuroimaging. The combination of source-imaging and analysis of cortical directional networks enables us to noninvasively explore the underlying neural processes. However, existing EEG source imaging approaches mainly focus on performing the direct inverse operation for source estimation, which will be inevitably influenced by noise and the strategy used to find the inverse solution. Here, we develop a new source imaging technique, Deep Brain Neural Network (DeepBraiNNet), for robust sparse spatiotemporal EEG source estimation. In DeepBraiNNet, considering that Recurrent Neural Network (RNN) are usually "deep" in temporal dimension and thus suitable for time sequence modelling, the RNN with Long Short-Term Memory (LSTM) is utilized to approximate the inverse operation for the lead field matrix instead of performing the direct inverse operation, which avoids the possible effect of the direct inverse operation on the underdetermined lead field matrix prone to be influenced by noise. Simulations on various source patterns and noise conditions confirmed that the proposed approach could actually recover the spatiotemporal sources well, outperforming existing state of-the-art methods. DeepBraiNNet also estimated sparse MI related activation patterns when it was applied to a real Motor Imagery dataset, consistent with other findings based on EEG and fMRI. Based on the spatiotemporal sources estimated from DeepBraiNNet, we constructed MI related cortical neural networks, which clearly exhibited strong contralateral network patterns for the two MI tasks. Consequently, DeepBraiNNet may provide an alternative way different from the conventional approaches for spatiotemporal EEG source imaging.
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