Modelling approach and avoidance behaviour : A deep learning approach to understand the human olfactory system

• Main Author: Nordén, Frans
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) 2021
• Subjects: Probabilistic Machine Learning; Variational Recurrent Neural Network; EEG; Approach and Avoidance behaviour; Frontal alpha asymmetry; Probabilistisk Maskininlärning; Frontal alpha asymmetri; Computer and Information Sciences; Data- och informationsvetenskap
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-303157

In this thesis we examine the question whether it is possible to model approach and avoidance behaviour with probabilistic machine learning. The results from this project will primarily aid in our collective understanding of human existence. Secondly, it will extend the knowledge with regards to probabilistic machine learning in the Neuroscience domain. We aid this through building a Variational Recurrent Neural Network (VRNN) that is trained on Electroencephalography (EEG)-data from participants that is subjected to odours with varying pleasantness. The pleasantness of the odours is used to divide the participants into two classes based on their self reported experience. This data is used to train the VRNN. The performance of the VRNN is evaluated by how well we are able to reconstruct the original data from a low dimensional latent representation. In this task the model performs on a similar level as related works. We further investigate how changes in the latent space effects reconstructed data. Despite being disentangled, the latent variables are hard to interpret. Furthermore we try to classify and cluster the latent space as either approach or avoidance behaviour with a Support Vector Machine and Uniform Manifold Approximation. The classification results are only slightly better than random, indicating that the learned latent space is not suitable for the task This is most likely due to the patterns that make up approach and avoidance behaviour is seen as noise by the VRNN. This leads to the patterns not being accurately modelled. This is shown by the evidence that frontal α -asymmetry that exists in the data is not reconstructed by the model. The conclusion is therefore that a VRNN is less suitable for modelling underlying behaviour from raw EEG data due to the low signal to noise ratio. We instead suggests to focus on specific frequency ranges in specific regions when applying machine learning in this domain.  === Den här uppsatsen behandlar frågan huruvida det är möjligt att modellera närmande och frånstötande beteendemönster med hjälp av maskininlärning. Resultaten från detta projekt ämnar huvudsakligen att främja vidare förståelse av den mänskliga existensen. Vidare ämnar den även att utvidga förståelsen av hur probabilistisk maskininlärning kan användas för att utforska dylika hänseenden. Vi genomför detta genom att bygga en Variational Recurrent Neural Network-modell (VRNN) som tränas på data från experiment där personer utsätts för olika lukter samtidigt som deras Elektroencefalografi (EEG) spelas in. Deltagarna delas in i två klasser beroende på deras självrapporterade upplevelse av luktens njutbarhet. Maskininlärningsmodellen utvärderas genom att vi analyserar hur väl den lyckas rekonstruera datan. Detta lyckas den väl med. Vidare så undersöker vi hur förändringar i modellens latenta rum påverkar rekonstrueringen av datan. Resultaten från det experimentet är ej tydliga. Vidare så försöker vi klassificera och klustra det latenta rummet med avseende på närmande och frånstötande beteende med hjälp av en Support Vector Machine och Uniform Manifold Approximation. Resultaten från dessa experiment är att vi inte lyckas klassificera eller klustra det latenta rummet med avseende på närmande och frånstötande beteende bättre än slumpen. Vi argumenterar för att detta beror på att de underliggande mönster som skapar dessa beteenden ses som brus av VRNN-modellen och därmed inte modelleras. Detta visas genom att frontal α-asymmetri som existerar i datan ej rekonstrueras av modellen. Slutsaten blir därmed att en VRNN är mindre passande att använda vid modellering av underliggande beteenden av obehandlad EEG data. Detta på grund av det låga signal till brus-förhållandet i EEG-datan. Vi föreslår att istället fokusera på specifika frekvensområden i specifika hjärnregioner när maskininlärning appliceras på EEG.