Deep Learning Framework for Modeling Cognitive Load From Small and Noisy EEG Data

计算机科学 脑电图 人工智能 模式识别(心理学) 噪音(视频) 语音识别 代表(政治) 外部数据表示 机器学习 图像(数学) 心理学 精神科 政治 政治学 法学
作者
Felix Havugimana,Kazi Ashraf Moinudin,Mohammed Yeasin
出处
期刊:IEEE Transactions on Cognitive and Developmental Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:16 (3): 1006-1015 被引量:7
标识
DOI:10.1109/tcds.2023.3319305
摘要

Modern systems (e.g., assistive technology and self-driving) can place significant demands on the user’s working memory (WM), which can adversely impact performance (i.e., elevated risk of errors) and increase cognitive load (CL). Robust prediction of CL from EEG remains a challenge due to the small sample problem, noisy recordings, ineffective data representation, and lack of robust models. This paper presents a holistic approach to developing a reliable prediction of CL. We used EEG data recorded following a modified Stenberg WM task in which four levels of CL were defined based on the encoding of 2, 4, 6, and 8 English characters. First, we address the problem of noise and “small sample” by generating large low noise data using eigenspace-based bootstrap sampling and generative adversarial network (GAN). Second, we transform EEG recordings into spatial-spectral images to capture spatial information. Third, we built parameter-optimized CNN models to predict four levels of CL using single-frequency bands (i.e., θ, α, β) and stacked (i.e., all three bands) representations. In our quest to provide interpretable models, we applied Gradient-weighted Class Activation Mapping (Grad-CAM) to our models to localize the brain regions responsible for the prediction of CL. Empirical analysis of models trained using θ, α, β, and stacked representation show accuracy of 90%, 89%, 91%, and 94%, respectively. Grad-CAM visualizations showed that the prefrontal, cerebellum, frontal, and parietal areas have the highest contribution to the prediction of CL.
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