論文の概要: Du-IN: Discrete units-guided mask modeling for decoding speech from Intracranial Neural signals

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2405.11459v2
• Date: Mon, 21 Oct 2024 15:10:20 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-10-22 13:11:29.212966
• Title: Du-IN: Discrete units-guided mask modeling for decoding speech from Intracranial Neural signals
• Title（参考訳）: Du-IN:頭蓋内神経信号からの音声復号のための離散単位誘導マスクモデリング
• Authors: Hui Zheng, Hai-Teng Wang, Wei-Bang Jiang, Zhong-Tao Chen, Li He, Pei-Yang Lin, Peng-Hu Wei, Guo-Guang Zhao, Yun-Zhe Liu,
• Abstract要約: エレクトロコルチコグラフィー(ECoG)を用いた脳-コンピュータインタフェースは,医療応用における高性能音声復号化を約束している。 離散コーデックス誘導マスクモデリングにより,領域レベルのトークンに基づくコンテキスト埋め込みを抽出するDu-INモデルを開発した。 本モデルでは,61ワードの分類タスクにおいて,すべてのベースラインを越えながら最先端のパフォーマンスを実現する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.283718601431859
• License:
• Abstract: Invasive brain-computer interfaces with Electrocorticography (ECoG) have shown promise for high-performance speech decoding in medical applications, but less damaging methods like intracranial stereo-electroencephalography (sEEG) remain underexplored. With rapid advances in representation learning, leveraging abundant recordings to enhance speech decoding is increasingly attractive. However, popular methods often pre-train temporal models based on brain-level tokens, overlooking that brain activities in different regions are highly desynchronized during tasks. Alternatively, they pre-train spatial-temporal models based on channel-level tokens but fail to evaluate them on challenging tasks like speech decoding, which requires intricate processing in specific language-related areas. To address this issue, we collected a well-annotated Chinese word-reading sEEG dataset targeting language-related brain networks from 12 subjects. Using this benchmark, we developed the Du-IN model, which extracts contextual embeddings based on region-level tokens through discrete codex-guided mask modeling. Our model achieves state-of-the-art performance on the 61-word classification task, surpassing all baselines. Model comparisons and ablation studies reveal that our design choices, including (i) temporal modeling based on region-level tokens by utilizing 1D depthwise convolution to fuse channels in the lateral sensorimotor cortex (vSMC) and superior temporal gyrus (STG) and (ii) self-supervision through discrete codex-guided mask modeling, significantly contribute to this performance. Overall, our approach -- inspired by neuroscience findings and capitalizing on region-level representations from specific brain regions -- is suitable for invasive brain modeling and represents a promising neuro-inspired AI approach in brain-computer interfaces.
• Abstract（参考訳）: エレクトロコルチコグラフィー(ECoG)を用いた脳-コンピュータインターフェースは、医療応用において高性能な音声復号化を約束しているが、頭蓋内立体脳波(sEEG)のような損傷の少ない手法はいまだ研究されていない。 表現学習の急速な進歩により、音声復号性を高めるために豊富な録音を活用することがますます魅力的になっている。 しかし、一般的な方法では、脳レベルのトークンに基づく時間モデルを事前訓練し、異なる領域の脳活動がタスク中に高度に同期化されていることを見越すことが多い。 あるいは、チャネルレベルのトークンに基づく時空間モデルの事前訓練を行うが、特定の言語関連領域で複雑な処理を必要とする音声復号処理のような困難なタスクでは評価できない。 この問題に対処するため,12名の被験者から,言語関連脳ネットワークを対象とした中国語単語読解データセット(sEEG)を収集した。 このベンチマークを用いて、離散コーデックス誘導マスクモデリングにより、領域レベルのトークンに基づいてコンテキスト埋め込みを抽出するDu-INモデルを開発した。 本モデルでは,61ワードの分類タスクにおいて,すべてのベースラインを越えながら最先端のパフォーマンスを実現する。 モデル比較とアブレーション研究により、我々のデザイン選択が明らかになりました。 一 側方感覚運動野(vSMC)及び上側頭回旋(STG)におけるフーズチャネルへの1次元奥行き畳み込みを利用した地域レベルのトークンに基づく時間的モデリング (2)離散コーデックス誘導マスクモデリングによる自己監督は,この性能に大きく寄与する。 全体として、我々のアプローチは、神経科学的な発見にインスパイアされ、特定の脳領域からの領域レベルの表現に資本を当てることによって、侵襲的な脳モデリングに適しており、脳とコンピュータのインターフェイスにおいて有望な神経にインスパイアされたAIアプローチを表している。

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