HR-SNN: An End-to-End Spiking Neural Network for Four-Class Classification Motor Imagery Brain–Computer Interface

计算机科学 脑-机接口 运动表象 接口(物质) 尖峰神经网络 班级(哲学) 人工神经网络 人工智能 神经科学 操作系统 脑电图 心理学 最大气泡压力法 气泡
作者
Yulin Li,Liangwei Fan,Hui Shen,Dewen Hu
出处
期刊:IEEE Transactions on Cognitive and Developmental Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:16 (6): 1955-1968 被引量:16
标识
DOI:10.1109/tcds.2024.3395443
摘要

Spiking Neural Network (SNN) excels in processing temporal information and conserving energy, particularly when deployed on neuromorphic hardware. These strengths position SNN as an ideal choice for developing wearable Brain-Computer Interface (BCI) devices. However, the application of SNN in complex BCI tasks, like four-class Motor Imagery classification, is limited. In light of this, this study introduces a powerful SNN architecture hybrid response SNN (HR-SNN). We employ parameter-wise gradient descent methods to optimize spike encoding efficiency. The SNN’s frequency perception is improved by integrating a hybrid response spiking module. In addition, a diff-potential spiking decoder is designed to optimize SNN output potential utilization. Validation experiments are performed on Physionet and BCI competition IV 2a datasets. On Physionet, our model achieves accuracies of 67.24% and 74.95% using global training and subject-specific transfer learning, respectively. On BCI competition IV 2a, our approach attains an average accuracy of 77.58%, surpassing all the compared SNN models and demonstrating competitiveness against SOTA convolution neural network (CNN) approaches. We validate the robustness of HR-SNN under noise and channel loss scenarios. Additionally, energy analysis reveals HR-SNN’s superior energy efficiency compared to existing CNN models. Notably, HR-SNN exhibits a 2-16 times energy consumption advantage over existing SNN methods.
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