Modeling the variability of electrical activity in the brain
Modélisation de la variabilité de l'activité électrique dans le cerveau
Résumé
This thesis investigates the analysis of brain electrical activity. An important challenge is the presence of large variability in neuroelectrical recordings, both across different subjects and within a single subject, for example, across experimental trials. We propose a new method called adaptive waveform learning (AWL). It is general enough to include all types of relevant variability empirically found in neuroelectric recordings, but can be specialized for different concrete settings to prevent from overfitting irrelevant structures in the data. The first part of this work gives an introduction into the electrophysiology of the brain, presents frequently used recording modalities, and describes state-of-the-art methods for neuroelectrical signal processing. The main contribution of this thesis consists in three chapters introducing and evaluating the AWL method. We first provide a general signal decomposition model that explicitly includes different forms of variability across signal components. This model is then specialized for two concrete applications: processing a set of segmented experimental trials and learning repeating structures across a single recorded signal. Two algorithms are developed to solve these models. Their efficient implementation based on alternate minimization and sparse coding techniques allows the processing of large datasets. The proposed algorithms are evaluated on both synthetic data and real data containing epileptiform spikes. Their performances are compared to those of PCA, ICA, and template matching for spike detection.
Cette thèse explore l'analyse de l'activité électrique du cerveau. Un défi important de ces signaux est leur grande variabilité à travers différents essais et/ou différents sujets. Nous proposons une nouvelle méthode appelée "adaptive waveform learning" (AWL). Cette méthode est suffisamment générale pour permettre la prise en compte de la variabilité empiriquement rencontrée dans les signaux neuroélectriques, mais peut être spécialisée afin de prévenir l'overfitting du bruit. La première partie de ce travail donne une introduction sur l'électrophysiologie du cerveau, présente les modalités d'enregistrement fréquemment utilisées et décrit l'état de l'art du traitement de signal neuroélectrique. La principale contribution de cette thèse consiste en 3 chapitres introduisant et évaluant la méthode AWL. Nous proposons d'abord un modèle de décomposition de signal général qui inclut explicitement différentes formes de variabilité entre les composantes de signal. Ce modèle est ensuite spécialisé pour deux applications concrètes: le traitement d'une série d'essais expérimentaux segmentés et l'apprentissage de structures répétées dans un seul signal. Deux algorithmes sont développés pour résoudre ces problèmes de décomposition. Leur implémentation efficace basée sur des techniques de minimisation alternée et de codage parcimonieux permet le traitement de grands jeux de données.Les algorithmes proposés sont évalués sur des données synthétiques et réelles contenant des pointes épileptiformes. Leurs performances sont comparées à celles de la PCA, l'ICA, et du template-matching pour la détection de pointe.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)
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