Brain Music : Sistema generativo para la creación de música simbólica a partir de respuestas neuronales afectivas

gráficas, tablasEsta tesis de maestría presenta una metodología de aprendizaje profundo multimodal innovadora que fusiona un modelo de clasificación de emociones con un generador musical, con el propósito de crear música a partir de señales de electroencefalografía, profundizando así en la interconexión entre emociones y música. Los resultados alcanzan tres objetivos específicos: Primero, ya que el rendimiento de los sistemas interfaz cerebro-computadora varía considerablemente entre diferentes sujetos, se introduce un enfoque basado en la transferencia de conocimiento entre sujetos para mejorar el rendimiento de individuos con dificultades en sistemas de interfaz cerebro-computadora basados en el paradigma de imaginación motora. Este enfoque combina datos de EEG etiquetados con datos estructurados, como cuestionarios psicológicos, mediante un método de "Kernel Matching CKA". Utilizamos una red neuronal profunda (Deep&Wide) para la clasificación de la imaginación motora. Los resultados destacan su potencial para mejorar las habilidades motoras en interfaces cerebro-computadora. Segundo, proponemos una técnica innovadora llamada "Labeled Correlation Alignment"(LCA) para sonificar respuestas neurales a estímulos representados en datos no estructurados, como música afectiva. Esto genera características musicales basadas en la actividad cerebral inducida por las emociones. LCA aborda la variabilidad entre sujetos y dentro de sujetos mediante el análisis de correlación, lo que permite la creación de envolventes acústicos y la distinción entre diferente información sonora. Esto convierte a LCA en una herramienta prometedora para interpretar la actividad neuronal y su reacción a estímulos auditivos. Finalmente, en otro capítulo, desarrollamos una metodología de aprendizaje profundo de extremo a extremo para generar contenido musical MIDI (datos simbólicos) a partir de señales de actividad cerebral inducidas por música con etiquetas afectivas. Esta metodología abarca el preprocesamiento de datos, el entrenamiento de modelos de extracción de características y un proceso de emparejamiento de características mediante Deep Centered Kernel Alignment, lo que permite la generación de música a partir de señales EEG. En conjunto, estos logros representan avances significativos en la comprensión de la relación entre emociones y música, así como en la aplicación de la inteligencia artificial en la generación musical a partir de señales cerebrales. Ofrecen nuevas perspectivas y herramientas para la creación musical y la investigación en neurociencia emocional. Para llevar a cabo nuestros experimentos, utilizamos bases de datos públicas como GigaScience, Affective Music Listening y Deap Dataset (Texto tomado de la fuente)This master’s thesis presents an innovative multimodal deep learning methodology that combines an emotion classification model with a music generator, aimed at creating music from electroencephalography (EEG) signals, thus delving into the interplay between emotions and music. The results achieve three specific objectives: First, since the performance of brain-computer interface systems varies significantly among different subjects, an approach based on knowledge transfer among subjects is introduced to enhance the performance of individuals facing challenges in motor imagery-based brain-computer interface systems. This approach combines labeled EEG data with structured information, such as psychological questionnaires, through a "Kernel Matching CKA"method. We employ a deep neural network (Deep&Wide) for motor imagery classification. The results underscore its potential to enhance motor skills in brain-computer interfaces. Second, we propose an innovative technique called "Labeled Correlation Alignment"(LCA) to sonify neural responses to stimuli represented in unstructured data, such as affective music. This generates musical features based on emotion-induced brain activity. LCA addresses variability among subjects and within subjects through correlation analysis, enabling the creation of acoustic envelopes and the distinction of different sound information. This makes LCA a promising tool for interpreting neural activity and its response to auditory stimuli. Finally, in another chapter, we develop an end-to-end deep learning methodology for generating MIDI music content (symbolic data) from EEG signals induced by affectively labeled music. This methodology encompasses data preprocessing, feature extraction model training, and a feature matching process using Deep Centered Kernel Alignment, enabling music generation from EEG signals. Together, these achievements represent significant advances in understanding the relationship between emotions and music, as well as in the application of artificial intelligence in musical generation from brain signals. They offer new perspectives and tools for musical creation and research in emotional neuroscience. To conduct our experiments, we utilized public databases such as GigaScience, Affective Music Listening and Deap DatasetMaestríaMagíster en Ingeniería - Automatización IndustrialInvestigación en Aprendizaje Profundo y señales BiológicasEléctrica, Electrónica, Automatización Y Telecomunicaciones.Sede Manizale

Brain Music : Sistema generativo para la creación de música simbólica a partir de respuestas neuronales afectivas

gráficas, tablasEsta tesis de maestría presenta una metodología de aprendizaje profundo multimodal innovadora que fusiona un modelo de clasificación de emociones con un generador musical, con el propósito de crear música a partir de señales de electroencefalografía, profundizando así en la interconexión entre emociones y música. Los resultados alcanzan tres objetivos específicos: Primero, ya que el rendimiento de los sistemas interfaz cerebro-computadora varía considerablemente entre diferentes sujetos, se introduce un enfoque basado en la transferencia de conocimiento entre sujetos para mejorar el rendimiento de individuos con dificultades en sistemas de interfaz cerebro-computadora basados en el paradigma de imaginación motora. Este enfoque combina datos de EEG etiquetados con datos estructurados, como cuestionarios psicológicos, mediante un método de "Kernel Matching CKA". Utilizamos una red neuronal profunda (Deep&Wide) para la clasificación de la imaginación motora. Los resultados destacan su potencial para mejorar las habilidades motoras en interfaces cerebro-computadora. Segundo, proponemos una técnica innovadora llamada "Labeled Correlation Alignment"(LCA) para sonificar respuestas neurales a estímulos representados en datos no estructurados, como música afectiva. Esto genera características musicales basadas en la actividad cerebral inducida por las emociones. LCA aborda la variabilidad entre sujetos y dentro de sujetos mediante el análisis de correlación, lo que permite la creación de envolventes acústicos y la distinción entre diferente información sonora. Esto convierte a LCA en una herramienta prometedora para interpretar la actividad neuronal y su reacción a estímulos auditivos. Finalmente, en otro capítulo, desarrollamos una metodología de aprendizaje profundo de extremo a extremo para generar contenido musical MIDI (datos simbólicos) a partir de señales de actividad cerebral inducidas por música con etiquetas afectivas. Esta metodología abarca el preprocesamiento de datos, el entrenamiento de modelos de extracción de características y un proceso de emparejamiento de características mediante Deep Centered Kernel Alignment, lo que permite la generación de música a partir de señales EEG. En conjunto, estos logros representan avances significativos en la comprensión de la relación entre emociones y música, así como en la aplicación de la inteligencia artificial en la generación musical a partir de señales cerebrales. Ofrecen nuevas perspectivas y herramientas para la creación musical y la investigación en neurociencia emocional. Para llevar a cabo nuestros experimentos, utilizamos bases de datos públicas como GigaScience, Affective Music Listening y Deap Dataset (Texto tomado de la fuente)This master’s thesis presents an innovative multimodal deep learning methodology that combines an emotion classification model with a music generator, aimed at creating music from electroencephalography (EEG) signals, thus delving into the interplay between emotions and music. The results achieve three specific objectives: First, since the performance of brain-computer interface systems varies significantly among different subjects, an approach based on knowledge transfer among subjects is introduced to enhance the performance of individuals facing challenges in motor imagery-based brain-computer interface systems. This approach combines labeled EEG data with structured information, such as psychological questionnaires, through a "Kernel Matching CKA"method. We employ a deep neural network (Deep&Wide) for motor imagery classification. The results underscore its potential to enhance motor skills in brain-computer interfaces. Second, we propose an innovative technique called "Labeled Correlation Alignment"(LCA) to sonify neural responses to stimuli represented in unstructured data, such as affective music. This generates musical features based on emotion-induced brain activity. LCA addresses variability among subjects and within subjects through correlation analysis, enabling the creation of acoustic envelopes and the distinction of different sound information. This makes LCA a promising tool for interpreting neural activity and its response to auditory stimuli. Finally, in another chapter, we develop an end-to-end deep learning methodology for generating MIDI music content (symbolic data) from EEG signals induced by affectively labeled music. This methodology encompasses data preprocessing, feature extraction model training, and a feature matching process using Deep Centered Kernel Alignment, enabling music generation from EEG signals. Together, these achievements represent significant advances in understanding the relationship between emotions and music, as well as in the application of artificial intelligence in musical generation from brain signals. They offer new perspectives and tools for musical creation and research in emotional neuroscience. To conduct our experiments, we utilized public databases such as GigaScience, Affective Music Listening and Deap DatasetMaestríaMagíster en Ingeniería - Automatización IndustrialInvestigación en Aprendizaje Profundo y señales BiológicasEléctrica, Electrónica, Automatización Y Telecomunicaciones.Sede Manizale

Affective Neural Responses Sonified through Labeled Correlation Alignment

Sound synthesis refers to the creation of original acoustic signals with broad applications in artistic innovation, such as music creation for games and videos. Nonetheless, machine learning architectures face numerous challenges when learning musical structures from arbitrary corpora. This issue involves adapting patterns borrowed from other contexts to a concrete composition objective. Using Labeled Correlation Alignment (LCA), we propose an approach to sonify neural responses to affective music-listening data, identifying the brain features that are most congruent with the simultaneously extracted auditory features. For dealing with inter/intra-subject variability, a combination of Phase Locking Value and Gaussian Functional Connectivity is employed. The proposed two-step LCA approach embraces a separate coupling stage of input features to a set of emotion label sets using Centered Kernel Alignment. This step is followed by canonical correlation analysis to select multimodal representations with higher relationships. LCA enables physiological explanation by adding a backward transformation to estimate the matching contribution of each extracted brain neural feature set. Correlation estimates and partition quality represent performance measures. The evaluation uses a Vector Quantized Variational AutoEncoder to create an acoustic envelope from the tested Affective Music-Listening database. Validation results demonstrate the ability of the developed LCA approach to generate low-level music based on neural activity elicited by emotions while maintaining the ability to distinguish between the acoustic outputs