Unsupervised decoding of long-term, naturalistic human neural recordings with automated video and audio annotations

Fully automated decoding of human activities and intentions from direct neural recordings is a tantalizing challenge in brain-computer interfacing. Most ongoing efforts have focused on training decoders on specific, stereotyped tasks in laboratory settings. Implementing brain-computer interfaces (BCIs) in natural settings requires adaptive strategies and scalable algorithms that require minimal supervision. Here we propose an unsupervised approach to decoding neural states from human brain recordings acquired in a naturalistic context. We demonstrate our approach on continuous long-term electrocorticographic (ECoG) data recorded over many days from the brain surface of subjects in a hospital room, with simultaneous audio and video recordings. We first discovered clusters in high-dimensional ECoG recordings and then annotated coherent clusters using speech and movement labels extracted automatically from audio and video recordings. To our knowledge, this represents the first time techniques from computer vision and speech processing have been used for natural ECoG decoding. Our results show that our unsupervised approach can discover distinct behaviors from ECoG data, including moving, speaking and resting. We verify the accuracy of our approach by comparing to manual annotations. Projecting the discovered cluster centers back onto the brain, this technique opens the door to automated functional brain mapping in natural settings

The Evolution of First Person Vision Methods: A Survey

The emergence of new wearable technologies such as action cameras and smart-glasses has increased the interest of computer vision scientists in the First Person perspective. Nowadays, this field is attracting attention and investments of companies aiming to develop commercial devices with First Person Vision recording capabilities. Due to this interest, an increasing demand of methods to process these videos, possibly in real-time, is expected. Current approaches present a particular combinations of different image features and quantitative methods to accomplish specific objectives like object detection, activity recognition, user machine interaction and so on. This paper summarizes the evolution of the state of the art in First Person Vision video analysis between 1997 and 2014, highlighting, among others, most commonly used features, methods, challenges and opportunities within the field.Comment: First Person Vision, Egocentric Vision, Wearable Devices, Smart Glasses, Computer Vision, Video Analytics, Human-machine Interactio

Synaptic Learning for Neuromorphic Vision - Processing Address Events with Spiking Neural Networks

Das Gehirn übertrifft herkömmliche Computerarchitekturen in Bezug auf Energieeffizienz, Robustheit und Anpassungsfähigkeit. Diese Aspekte sind auch für neue Technologien wichtig. Es lohnt sich daher, zu untersuchen, welche biologischen Prozesse das Gehirn zu Berechnungen befähigen und wie sie in Silizium umgesetzt werden können. Um sich davon inspirieren zu lassen, wie das Gehirn Berechnungen durchführt, ist ein Paradigmenwechsel im Vergleich zu herkömmlichen Computerarchitekturen erforderlich. Tatsächlich besteht das Gehirn aus Nervenzellen, Neuronen genannt, die über Synapsen miteinander verbunden sind und selbstorganisierte Netzwerke bilden. Neuronen und Synapsen sind komplexe dynamische Systeme, die durch biochemische und elektrische Reaktionen gesteuert werden. Infolgedessen können sie ihre Berechnungen nur auf lokale Informationen stützen. Zusätzlich kommunizieren Neuronen untereinander mit kurzen elektrischen Impulsen, den so genannten Spikes, die sich über Synapsen bewegen. Computational Neuroscientists versuchen, diese Berechnungen mit spikenden neuronalen Netzen zu modellieren. Wenn sie auf dedizierter neuromorpher Hardware implementiert werden, können spikende neuronale Netze wie das Gehirn schnelle, energieeffiziente Berechnungen durchführen. Bis vor kurzem waren die Vorteile dieser Technologie aufgrund des Mangels an funktionellen Methoden zur Programmierung von spikenden neuronalen Netzen begrenzt. Lernen ist ein Paradigma für die Programmierung von spikenden neuronalen Netzen, bei dem sich Neuronen selbst zu funktionalen Netzen organisieren. Wie im Gehirn basiert das Lernen in neuromorpher Hardware auf synaptischer Plastizität. Synaptische Plastizitätsregeln charakterisieren Gewichtsaktualisierungen im Hinblick auf Informationen, die lokal an der Synapse anliegen. Das Lernen geschieht also kontinuierlich und online, während sensorischer Input in das Netzwerk gestreamt wird. Herkömmliche tiefe neuronale Netze werden üblicherweise durch Gradientenabstieg trainiert. Die durch die biologische Lerndynamik auferlegten Einschränkungen verhindern jedoch die Verwendung der konventionellen Backpropagation zur Berechnung der Gradienten. Beispielsweise behindern kontinuierliche Aktualisierungen den synchronen Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsphasen. Darüber hinaus verhindern Gedächtnisbeschränkungen, dass die Geschichte der neuronalen Aktivität im Neuron gespeichert wird, so dass Verfahren wie Backpropagation-Through-Time nicht möglich sind. Neuartige Lösungen für diese Probleme wurden von Computational Neuroscientists innerhalb des Zeitrahmens dieser Arbeit vorgeschlagen. In dieser Arbeit werden spikende neuronaler Netzwerke entwickelt, um Aufgaben der visuomotorischen Neurorobotik zu lösen. In der Tat entwickelten sich biologische neuronale Netze ursprünglich zur Steuerung des Körpers. Die Robotik stellt also den künstlichen Körper für das künstliche Gehirn zur Verfügung. Auf der einen Seite trägt diese Arbeit zu den gegenwärtigen Bemühungen um das Verständnis des Gehirns bei, indem sie schwierige Closed-Loop-Benchmarks liefert, ähnlich dem, was dem biologischen Gehirn widerfährt. Auf der anderen Seite werden neue Wege zur Lösung traditioneller Robotik Probleme vorgestellt, die auf vom Gehirn inspirierten Paradigmen basieren. Die Forschung wird in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst werden vielversprechende synaptische Plastizitätsregeln identifiziert und mit ereignisbasierten Vision-Benchmarks aus der realen Welt verglichen. Zweitens werden neuartige Methoden zur Abbildung visueller Repräsentationen auf motorische Befehle vorgestellt. Neuromorphe visuelle Sensoren stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu hirninspirierten Paradigmen dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras senden diese Sensoren Adressereignisse aus, die lokalen Änderungen der Lichtintensität entsprechen. Das ereignisbasierte Paradigma ermöglicht eine energieeffiziente und schnelle Bildverarbeitung, erfordert aber die Ableitung neuer asynchroner Algorithmen. Spikende neuronale Netze stellen eine Untergruppe von asynchronen Algorithmen dar, die vom Gehirn inspiriert und für neuromorphe Hardwaretechnologie geeignet sind. In enger Zusammenarbeit mit Computational Neuroscientists werden erfolgreiche Methoden zum Erlernen räumlich-zeitlicher Abstraktionen aus der Adressereignisdarstellung berichtet. Es wird gezeigt, dass Top-Down-Regeln der synaptischen Plastizität, die zur Optimierung einer objektiven Funktion abgeleitet wurden, die Bottom-Up-Regeln übertreffen, die allein auf Beobachtungen im Gehirn basieren. Mit dieser Einsicht wird eine neue synaptische Plastizitätsregel namens "Deep Continuous Local Learning" eingeführt, die derzeit den neuesten Stand der Technik bei ereignisbasierten Vision-Benchmarks erreicht. Diese Regel wurde während eines Aufenthalts an der Universität von Kalifornien, Irvine, gemeinsam abgeleitet, implementiert und evaluiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der visuomotorische Kreis geschlossen, indem die gelernten visuellen Repräsentationen auf motorische Befehle abgebildet werden. Drei Ansätze werden diskutiert, um ein visuomotorisches Mapping zu erhalten: manuelle Kopplung, Belohnungs-Kopplung und Minimierung des Vorhersagefehlers. Es wird gezeigt, wie diese Ansätze, welche als synaptische Plastizitätsregeln implementiert sind, verwendet werden können, um einfache Strategien und Bewegungen zu lernen. Diese Arbeit ebnet den Weg zur Integration von hirninspirierten Berechnungsparadigmen in das Gebiet der Robotik. Es wird sogar prognostiziert, dass Fortschritte in den neuromorphen Technologien und bei den Plastizitätsregeln die Entwicklung von Hochleistungs-Lernrobotern mit geringem Energieverbrauch ermöglicht

Decoding Neural Signals with Computational Models: A Systematic Review of Invasive BMI

There are significant milestones in modern human's civilization in which mankind stepped into a different level of life with a new spectrum of possibilities and comfort. From fire-lighting technology and wheeled wagons to writing, electricity and the Internet, each one changed our lives dramatically. In this paper, we take a deep look into the invasive Brain Machine Interface (BMI), an ambitious and cutting-edge technology which has the potential to be another important milestone in human civilization. Not only beneficial for patients with severe medical conditions, the invasive BMI technology can significantly impact different technologies and almost every aspect of human's life. We review the biological and engineering concepts that underpin the implementation of BMI applications. There are various essential techniques that are necessary for making invasive BMI applications a reality. We review these through providing an analysis of (i) possible applications of invasive BMI technology, (ii) the methods and devices for detecting and decoding brain signals, as well as (iii) possible options for stimulating signals into human's brain. Finally, we discuss the challenges and opportunities of invasive BMI for further development in the area.Comment: 51 pages, 14 figures, review articl

Eyewear Computing \u2013 Augmenting the Human with Head-Mounted Wearable Assistants

The seminar was composed of workshops and tutorials on head-mounted eye tracking, egocentric vision, optics, and head-mounted displays. The seminar welcomed 30 academic and industry researchers from Europe, the US, and Asia with a diverse background, including wearable and ubiquitous computing, computer vision, developmental psychology, optics, and human-computer interaction. In contrast to several previous Dagstuhl seminars, we used an ignite talk format to reduce the time of talks to one half-day and to leave the rest of the week for hands-on sessions, group work, general discussions, and socialising. The key results of this seminar are 1) the identification of key research challenges and summaries of breakout groups on multimodal eyewear computing, egocentric vision, security and privacy issues, skill augmentation and task guidance, eyewear computing for gaming, as well as prototyping of VR applications, 2) a list of datasets and research tools for eyewear computing, 3) three small-scale datasets recorded during the seminar, 4) an article in ACM Interactions entitled \u201cEyewear Computers for Human-Computer Interaction\u201d, as well as 5) two follow-up workshops on \u201cEgocentric Perception, Interaction, and Computing\u201d at the European Conference on Computer Vision (ECCV) as well as \u201cEyewear Computing\u201d at the ACM International Joint Conference on Pervasive and Ubiquitous Computing (UbiComp)