FourierMask: Explain EEG-based End-to-end Deep Learning Models in the Frequency Domain

计算机科学 脑电图 端到端原则 频域 深度学习 人工智能 领域(数学分析) 语音识别 计算机视觉 神经科学 心理学 数学 数学分析
作者
Hanqi Wang,Jingyu Zhang,Kun Yang,Jichuan Xiong,Xuefeng Liu,Peng Guo,Liang Song
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:PP: 1-13
标识
DOI:10.1109/jbhi.2025.3610742
摘要

The rise of EEG-based end-to-end deep learning models has underscored the need to elucidate how these models process time-series raw EEG signals to generate predictions. The frequency domain provides a more suitable perspective for this task due to two key advantages: the strong correlation with cognitive states and the inherent capacity to model long-range temporal dependencies. However, this perspective remains underexplored in existing research. To bridge this gap, we propose FourierMask, the first mask perturbation framework specifically designed for frequency-domain explanation of EEG-based end-to-end models. Our method introduces three key innovations. First, the Fourier-based domain transformation enables direct manipulation of spectral components. Second, A learnable mask mechanism jointly models the spectral-spatial couplings relationship for EEG explanation. Third, a perturbation generator constrained by a target alignment loss ensures natural perturbations by minimizing distribution shift via cluster-aware regularization. We validate our method through experiments on an EEG benchmark dataset across EEGNet, TSCeption, and DeepConvNet models. Our method reaches a 36.0% average accuracy drop gap (vs. 8.6% for LIME and 6.6% for easyPEASI) at the group-level. And, it reaches a 17.8% average accuracy drop gap (vs. 8.9% for LIME and 9.9% for easyPEASI) at the instance-level. Our model-agnostic framework provides a plug-and-play solution for enhancing transparency of EEG-based end-to-end deep learning models. It links model decisions to frequency biomarkers, with potential applications in neuromedicine and brain-computer interfaces.
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