T E L K O M NIKA   T elec o mm un ica t io n Co m pu t i ng   E lect ro nics   a nd   Co ntr o l   Vo l.  24 ,   No .   4 A u g u s t   20 26 ,   p p .   1 294 ~1 3 0 6   I SS N:  1 6 9 3 - 6 9 3 0 ,   DOI 1 0 . 1 2 9 2 8 / T E L KOM NI K A . v 24 i 4 . 27659          1294       J o ur na l ho m ep a g e :   h ttp : //telko mn ika . u a d . a c. i d   Cla ss ificatio n of  P30 0   ev ent - rela te d potent ia ls usin g   SNN,  CN a nd LST M   deep  l ea rning   m o d els       Ahla a m   M .   Sa ed 1 ,   I btiha l F a w zi  E ls ha m i 2 ,   Ali I .   E lg a y a r 3   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   B r i g h t   S t a r   U n i v e r si t y ,   B r e g a ,   L i b y a   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g C o l l e g e   o f   El e c t r i c a l   a n d   El e c t r o n i c s T e c h n o l o g y ,   B e n g h a z i ,   L i b y a   3 D e p a r t me n t   o f   El e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g ,   U n i v e r si t y   o f   B e n g h a z i ,   B e n g h a z i ,   L i b y a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Dec   11 2025   R ev i s ed   A p r   3 2 0 2 6   A cc ep ted   Ma y   25 2026       A c c u ra te  c las si f ic a ti o n   o f   P 3 0 0   e v e n t - re late d   p o ten ti a ls  re m a in c h a ll e n g in g   d u e   t o   th e   c o m p lex ,   n o n - sta ti o n a ry ,   a n d   lo w   sig n a l - to - n o ise   c h a r a c teristics   o f   e lec tro e n c e p h a lo g ra p h y   ( EEG )   sig n a ls  in   b ra in - c o m p u ter  in terf a c e   (BCI)  s y ste m s.  P 3 0 0 - b a se d   d e v ice s,  su c h   a th e   P 3 0 0   sp e ll e r ,   e n a b l e   c o m m u n ica ti o n   f o p a ti e n ts   w it h   se v e r e   m o to im p a ir m e n ts,  in c l u d in g   th o se   w it h   lo c k e d - in   sy n d ro m e h o w e v e r,   re li a b le  b ra in   sig n a c las sif ica t io n   is  stil l   a   c rit ica li m it a ti o n .   T h is  stu d y   p re se n ts  a   c o m p a ra ti v e   e v a lu a ti o n   o f   d e e p   lea rn in g   m o d e ls,  in c lu d in g   c o n v o lu ti o n a n e u ra n e tw o rk (CNN ),   lo n g   sh o rt - term   m e m o r y   (L S T M n e tw o rk s,  a n d   sp ik in g   n e u ra n e tw o rk (S NN ),   f o P 3 0 0   sig n a c las sif ica ti o n .   S NN re p re se n a   b io l o g ica ll y   in sp ired   p a ra d ig m   th a m o d e ls  th e   d isc re te,  ti m e - d e p e n d e n t   b e h a v io r   o f   n e u ra l   sp ik in g   a c ti v it y   a n d   o ff e r a d v a n tag e in   ter m o f   e n e rg y   e ff ici e n c y   a n d   h a rd w a re   i m p le m e n tab il it y .   Ex p e rime n tal  re su lt d e m o n stra te  t h a CNN   a c h iev e d   th e   h ig h e st   a v e ra g e   c las sif i c a ti o n   a c c u ra c y   (8 1 . 0 4 % ),   f o ll o w e d   c lo se ly   b y   S NN   (8 0 . 9 4 % a n d   L S T M   (8 0 . 6 0 % ).   A lt h o u g h   CN slig h tl y   o u t p e rf o rm e d   th e   o th e m o d e ls,  S NN sh o w e d   c o m p a ra b le  a c c u r a c y   w h il e   re q u iri n g   f e w e train in g   sa m p les   a n d   o f f e rin g   p o ten t ial  b e n e f it f o lo w - p o w e a n d   re a l - ti m e   BCI  s y ste m s.  T h e se   f in d in g h ig h li g h th e   trad e - o f f s   b e tw e e n   c l a ss i f ica ti o n   p e rf o r m a n c e   a n d   c o m p u tatio n a e ff ici e n c y   a n d   u n d e rl in e   t h e   p ro m ise   o f   S NN a a n   e ff icie n a lt e rn a ti v e   f o P 3 0 0 - b a se d   BCI  a p p li c a ti o n s.   K ey w o r d s :   B r ain - co m p u ter   in ter f ac e     C o n v o lu tio n   n e u r al  n et w o r k   E lectr o en ce p h alo g r ap h y     L o n g - s h o r t - ter m - m e m o r y   P 3 0 0   R ec ti f ied   lin ea r   u n it     Sp ik i n g   n e u r al  n et w o r k   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   I b tih al  Fa w zi  E ls h a m i   Dep ar t m en t o f   E lectr o n ics E n g in ee r i n g C o lle g o f   E lectr ica l a n d   E lectr o n ics T ec h n o lo g y   B en g h az i,  L ib y a   E m ail: i f el s h a m i @ ce et. ed u . l y       1.   I NT RO D UCT I O   B r ain - co m p u ter   in ter f ac e s   ( B C I s )   en ab le  d ir ec co m m u n icatio n   b et w ee n   t h h u m a n   b r ain   an d   ex ter n al  d ev ices,  o f f er in g   a n   ess e n tial  co m m u n icatio n   c h an n el  f o r   p atien t s   w it h   s e v er m o to r   i m p air m e n ts ,   p ar ticu lar l y   t h o s a f f ec ted   b y   lo ck ed - i n   s y n d r o m e.   B y   tr a n s lat in g   n eu r al  ac ti v it y   i n to   co n tr o co m m a n d s ,   B C I s   b r id g th g ap   b et w ee n   co g n iti o n   an d   ac tio n   an d   allo w   u s er s   to   in ter ac w it h   ass i s t iv tech n o lo g ies,  as   illu s tr ated   in   Fi g u r e   1 .   Dep en d in g   o n   t h s ig n al  ac q u is itio n   ap p r o ac h ,   B C I s   ca n   b cla s s if ied   i n to   i n v a s i v e   s y s te m s ,   w h ich   r eq u ir i m p la n ted   elec tr o d es,  an d   n o n - i n v a s iv s y s te m s   t h at   r el y   o n   elec tr o en ce p h alo g r ap h y   ( E E G)   s ig n als  r ec o r d ed   f r o m   t h s ca lp D u to   t h eir   s af et y ,   a cc ess ib ilit y ,   a n d   ea s o f   u s e,   n o n - i n v asi v E E G - b ased   B C I s   ar t h m o s w id el y   ad o p ted   d esp ite  th e   in h er en co m p le x it y   a n d   n o n - li n ea r it y   o f   E E s ig n als,   w h ic h   m a k e s   ac c u r ate  b r ain   s i g n al  cla s s i f ica tio n   c h allen g i n g   [ 1 ] ,   [ 2 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI K A   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l           C la s s if ica tio n   o f P 3 0 0   ev en t - r ela ted   p o ten tia ls   u s in g   S N N ,   C N N   a n d   LS TM     ( A h la a M.  S a ed )   1295       Fig u r 1 .   W o r k in g   o f   g en er i B C I   [ 2 ]       T h P3 0 0 - b ased   B C I ,   w id ely   u s ed   E E p ar ad ig m ,   elici ts   p o s itiv ev e n t - r elate d   p o ten tial  ( E R P )   ar o u n d   3 0 0   m s   a f ter   task - r ele v an s ti m u li,  en ab li n g   u s er s   to   s elec s y m b o ls   o r   co m m a n d s ,   an d   is   p ar ticu lar l y   u s e f u f o r   in d iv id u als  w it h   s e v er d is ab ilit ies  [ 3 ] ,   [ 4 ] .   C lass if icatio n   is   ch alle n g ed   b y   lo w   s i g n al - to - n o i s r atio   ( SNR ) ,   n o n - s ta tio n ar it y ,   an d   in ter - s u b j ec v ar iab ilit y .   R ec u r r en n e u r al  n et w o r k s   ( R N Ns ) ,   esp ec iall y   lo n g   s h o r t - ter m   m e m o r y   ( L ST M )   n et w o r k s ,   ca p t u r lo n g - ter m   te m p o r al  d ep en d en cie s   i n   E E G,   i m p r o v i n g   in ter p r etatio n   o f   u s er   in ten an d   o v er all  B C I   p er f o r m a n c [ 5 ] .   Sp ik in g   n e u r al  n et w o r k s   ( S NNs)  e n co d e   in f o r m atio n   v ia  d is cr ete  s p i k e s ,   o f f er i n g   te m p o r al  p r ec is io n ,   en er g y   e f f icie n c y ,   a n d   s u itab i lit y   f o r   lo w - p o w er ,   r ea l - ti m B C I s .   T r a i n i n g   S NNs   i s   c o m p l i c at e d   b y   n o n - d if f e r en t ia b l e   s p ik es ,   b u t   s u r r o g a te   g r a d i e n t   m et h o d s   a n d   a r t if i c ia l   n eu r a l   n etw o r k   ( A NN ) - to - S N c o n v e r s i o n   te ch n iq u e s   c o m b in e   A N N   t r ain in g   e f f i ci en cy   w ith   SN i n f e r en c e   a d v an t ag e s   [ 6 ] ,   [ 7 ] .   Mo tiv ated   b y   t h is   g ap ,   th o b j ec tiv o f   t h is   s tu d y   is   to   co n d u ct  co m p r eh e n s i v c o m p ar ati v e   ev alu a tio n   o f   co n v o lu tio n al   n eu r al  n et w o r k   ( C N N ) ,   L ST M,   an d   SNN  ar ch itectu r es  f o r   P 3 0 0   s ig n a class i f icatio n   u s in g   s tan d ar d ized   P 3 0 0   s p eller   d ataset.   T h m ai n   co n tr ib u t io n s   o f   t h i s   w o r k   ar th r ee f o ld   (i )   f air   co m p ar is o n   o f   s p at ial,   te m p o r al,   an d   s p ik in g   n e u r al  m o d els  u s i n g   t h s a m p r ep r o ce s s in g   an ev alu a tio n   p r o to co l;  ( ii )   an   a n al y s i s   o f   clas s i f icatio n   ac cu r ac y   ac r o s s   s u b j ec ts   to   as s es s   m o d el  r o b u s tn es s a n d   ( iii )   an   in v est ig atio n   o f   t h p o ten tial o f   SNNs   a s   an   e n er g y - e f f icien t a lter n ati v f o r   P 3 0 0 - b ased   B C I   s y s te m s .   T h r em ai n d er   o f   th is   p ap er   is   o r g an ized   as  f o llo w s .   Sectio n   2   p r esen ts   th th eo r etica l b ac k g r o u n d   o f   n eu r al  n et w o r k   m o d els  a n d   t h P 3 0 0   p o ten tial.  Sectio n   3   d escr ib es  th d ataset,   p r ep r o ce s s i n g   p r o ce d u r es,  ex p er i m e n tal  s et u p ,   an d   r es u l ts .   Fi n all y ,   s ec t io n   4   co n c lu d es  t h p ap er   an d   o u t li n e s   d ir ec tio n s   f o r   f u t u r e   r esear ch .       2.   M E T H O   Neu r al  n et w o r k s   ar e   n et wo r k   o f   in ter co n n ec ted   p r o ce s s in g   u n it s   d esig n ed   to   m i m i d esire d   b eh av io r .   B ec au s o f   t h s i m i lar ities   to   b io lo g ical   n e u r al  n e t w o r k s ,   t h ese  u n its   ar co m m o n l y   r e f er r ed   to   as  n eu r o n s   a n d   th e ir   co n n ec tio n s   as  s y n ap s e s .   A n   an a lo g   n et w o r k s   n e u r o n   i s   t y p o f   c ell  th at   co n v er ts   a   ce r tain   in p u t si g n al  in to   an   eq u iv a len t o u tp u s ig n al  [ 2 ] ,   [ 5 ]   T h ac tiv atio n   f u n ctio n   o f   t h n eu r o n   is   u s ed   to   ac co m p lis h   t h ese  m o d if icat io n s   a s   s h o w   in   Fig u r 2 .   T h f u n ctio n   s u m s   t h s i g n a ls ,   o r   in f o r m atio n ,   it  g ets  f r o m   s y n ap s e s   ( u s u a ll y   r ea n u m b er s ) ,   an d   th en   o u tp u t s   th r es u lt.  S y n ap s e s   ar i n v o lv ed   in   b o th   s i g n al   tr an s m is s io n   a n d   s tr e n g t h   r e g u latio n .   T h ac tiv at io n   f ir es,   o r   g en er ates  s tr o n g   o u tp u t,  i f   th to tal  in p u is   s tr o n g   en o u g h   [ 3 ] ,   [ 6 ] .   A lth o u g h   th er ar n u m er o u s   v ar ieties   o f   n eu r al  n et w o r k s ,   w w il talk   ab o u th r ee   h er e:  r ec u r r en t,  s p ik in g ,   an d   co n v o lu tio n al  C NN s   ar ex a m p le s   o f   n e u r al  n et w o r k s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6930   T E L KOM NI K A   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l ,   Vo l.  24 ,   No .   4 A u g u s 20 26 1 294 - 1 3 0 6   1296       Fig u r 2 .   Mo d el  o f   n eu r o n   n et w o r k   [ 5 ]       2 . 1 .     C NN   I n   co m p u ter   v i s io n ,   w h ich   d e als  w ith   cr ea ti n g   s y s te m s   t h a ev alu ate  v is u al  d ata  an d   r ec o g n ize  o r   s eg m e n i m p o r tan f ea t u r es  o r   o b j ec ts ,   C NNs  ar s o p h i s ti ca ted   d ee p   lear n in g   m o d el s   t h at  ar f r eq u e n tl y   u tili ze d .   Am o n g   th f ir s d e ep   lear n in g   m o d els  to   ac co m p lis h   o b j ec d etec tio n   at  lev el  co m p ar ab le  to   h u m a n s   w er C NNs.  C NNs  h av b ee n   u til ized   in   th r e ce n p ast  f o r   v ar iet y   o f   b r ain   s i g n a s t u d ies,   in cl u d in g   t h d etec tio n   o f   P 3 0 0 ,   m e n tal  tas k   r ec o g n itio n ,   e m o tio n   r ec o g n it io n ,   a n d   s ei zu r d etec tio n .   Fo r   in s ta n ce ,   t h f o u r   s ep ar ate  B C I   p ar ad ig m s   o f   v is u al - ev o k ed   p o ten tials   ( VE P ) er r o r - r elate d   n eg ati v it y   ( E R N)   re s p o n s es,  t h m o d el s   ab ilit y   to   class i f y   d ata  w as e v al u ated   as sh o w   i n   Fi g u r e   [ 8 ] .     ( ) = ( [ , . ; + ] + )     ( 1 )           Fig u r 3 C NN   [ 8 ]       2 . 2 .     RNN   R NNs  ca n   d escr ib s eq u en t ial   d ata  an d   cr ea te   co n tex t - a w ar p r e d ictio n s   b y   f ee d in g   p r ev io u s   o u tp u t s   in to   cu r r en i n p u t s .   T h ey   p er f o r m   w ell  f o r   ti m e - s er ie s   ap p licatio n s   an d   ca n   b en h an ce d   w it h   co n v o lu t io n al   la y er s .   B u tr ain i n g   is   ch a llen g in g   d u to   v an i s h in g   an d   ex p a n d in g   g r ad ien t s ,   w h ic h   led   to   t h d ev elo p m en o f   L ST n et w o r k s   f o r   i m p r o v ed   p er f o r m a n ce   o n   lo n g - ter m   d e p en d en cies.   T h ese  n et w o r k s   s o lv is s u es  l ik lo n g - ter m   d ep en d en c ies  a n d   th v a n i s h in g   g r ad ie n p r o b le m   th at   co m w it h   co n v en tio n al  r ec u r r en lo o p s   b y   u tili zi n g   s p ec ialized   L ST ce lls .   T h im p le m en tatio n s   o f   L ST ce lls   d if f er ,   b u s i m p le  m o d el  co n s is ts   o f   r ec u r r e n n e u r o n   eq u ip p ed   w it h   f o r g e g at e,   w h ich   i s   v ec to r   th at  d ec id es  w h a t in f o r m atio n   in   th ce l l s h o u ld   b k ep t o r   d elete d   [ 9 ] ,   [ 1 0 ]   T h L ST ar ch itectu r i n tr o d u ce s   g a te s   to   co n tr o d ata  f l o w ,   allo w i n g   i to   o v er co m ch alle n g e s   ass o ciate d   w it h   v a n i s h i n g   an d   ex p lo d in g   g r ad ien ts   i n   R N Ns.  E ac h   L ST u n it  h as  t wo   o u tp u ts th m a in   o u tp u a n d   th e   u n it s   m e m o r y .   T h ar ch itectu r u s e s   g ate s   t o   r eg u late  d ata  f lo w ,   f ac ilit at i n g   t h lear n i n g   o f   lo n g - ter m   d ep en d en cies.  A   co m p a r is o n   b etw e en   c l as s i c al   R NN   an d   an   L S T M   is   d e p i c t e d   in   F ig u r e   4 ,   em p h as i z in g   th e   c o m p le x i ty   an d   ef f e c ti v e n e s s   o f   L S T M   w i th   i ts   f o u r   l ay e r s   in   th e   r e p e a te d   m o d u l e   [ 1 1 ] .   I n s i d t h e   L S T M ,   t h e   c o m p u t a t i o n s   a r e   d e f in e d   b y   d o o r s   th at   a l l o w   o r   n o t   th e   t r a n s m is s i o n   o f   i n f o r m a ti o n   [ 4 ] ,   [ 1 0 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI K A   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l           C la s s if ica tio n   o f P 3 0 0   ev en t - r ela ted   p o ten tia ls   u s in g   S N N ,   C N N   a n d   LS TM     ( A h la a M.  S a ed )   1297       Fig u r 4 .   Diag r a m   o f   an   L ST [ 1 2 ]       ( ) = ( ( 1 ) + ( ) + )   ( 2 )     ( ) = ( ( 1 ) + ( ) + )   ( 3 )     ̂ ( ) =  ( ( 1 ) + ( ) + )     ( 4 )     ( ) = ( ) ( 1 ) + ( )   ̂ ( )   ( 5 )     = ( ( 1 ) + ( ) + )   ( 6 )     ( ) = ( )  ( )   ( 7 )     ( ) =   ( ( ) + )   ( 8 )     T h e   p r e d icted   ch ar ac ter   ̂   in   s in g le  tr ial  is   co m p u ted   b y   f i n d in g   t h ch ar ac ter   w it h   m a x i m al  v a lu e   o f   ( )   a m o n g   t h g r o u p   o f   all  t h letter s :     ̂ =    { ( ( ) ) }   ( 9 )     T h f o r m u la  f o r   p r ed ictin g   t h e   tar g et  s ti m u li   is :     ̂ =    { 1 ( ( , ) ) }     ( 1 0 )     I n   n eu r a n et w o r k ,   th w ei g h ts   ar u p d ated   b y   d er iv i n g   th lo s s   f u n ctio n   w i th   r esp ec ted   to   th e   n et w o r k   w ei g h ts .     = ( ( ( , ) ) , , )   ( 1 1 )     Her ,   r ef er   to   th tr u lab el  o f   s a m p le  ( , ) th b in ar y   lo g   lo s s   f u n ctio n :     ( ( ( , ) ) , , ) = ( ,   ( ( , ) ) ( 1 , )  ( 1 ( ( , ) ) ) )     ( 1 2 )     T h er r o r   in   n eu r al  n e t w o r k   i s   t y p icall y   ca lc u lated   o n   m u lti p le  s a m p les,  as  f o llo w s :     = 1 ( ( , ) )   ( 1 3 )     Her   in d icate s   th s ize  o f   t h b atch   o f   s a m p les   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6930   T E L KOM NI K A   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l ,   Vo l.  24 ,   No .   4 A u g u s 20 26 1 294 - 1 3 0 6   1298   2 . 3 .     SNN   A   n e w   b r ee d   o f   co m p u ter - s i m u lated   n e u r al  n e t w o r k s   i s   r ep r esen ted   b y   S NNs.  I n   ad d itio n   to   tr y i n g   to   ad d r ess   s o m o f   th d r a w b ac k s   o f   an a lo g   n et s ,   s u c h   as  th eir   s l u g g i s h   r esp o n s ti m es,  h ig h   p o w er   co n s u m p tio n ,   o r   lack   o f   a s y n c h r o n o u s   p r o ce s s i n g ,   SNNs   ar in te n d ed   to   m o r ac c u r atel y   s i m u late  b io lo g ica l   b r ain   n et w o r k s .   Sp ik in g   n et wo r k s   r eq u ir ed   m o d if icat io n   t o   th eir   s tr u ct u r d u to   t h ex p ec tatio n s   t h at  w er e   cr ea ted .   A s   s ee n   i n   Fi g u r 5 ,   s p ik in g   n e u r o n s ,   w h ic h   ar e s s e n tiall y   d is tin c f r o m   t h n e u r o n s   f o u n d   i n   A NN s ,   m ak e   u p   a   s p i k in g   n et w o r k .   S p ik in g   n e u r o n s   lack   a n   ac tiv at io n   f u n ctio n ,   ev e n   i f   th e y   co m m u n icate   th r o u g h   s y n ap tic  co n n ec tio n s   as  w ell.   R ath er ,   ea c h   n e u r o n   t h at  f ir es  h as  m e m b r an p o ten tia l.  Sp i k tr ain s ,   o r   s er ies   o f   ac tio n   p o te n tial s   t h at  c h an g th m e m b r an p o ten t ial,   ar e   h o w   n eu r o n s   e x ch a n g a n d   r ec eiv i n f o r m atio n .   T h n eu r o n   g en er ate s   s p ik e,   o r   s ti m u latio n ,   w h en e v er   s p ec if ic  th r es h o ld   v o ltag is   cr o s s ed ,   an d   th m e m b r a n p o ten tial  i s   th e n   r eset  to   p r ed eter m in ed   b aseli n e.   An o th er   p o p u lar   ter m   f o r   t h is   o cc u r r e n ce   is   a   n eu r o n   f ir i n g   [ 1 3 ] [ 1 9 ] .           Fig u r e   5 Vis u al izatio n   o f   s p ik i n g   n eu r o n   [ 1 4 ]       leak y   i n te g r ate - a n d - f ir e   ( L I F )   n e u r o n   es s en tiall y   ac c u m u l ates  ( in teg r ates)   a ll  o f   th e   in p u ts   th at   it   r ec eiv es  o v er   ti m e,   d is ch ar g e s   ( leak s )   ex p o n e n tiall y   co n s ta n tl y ,   a n d   f ir es  to   r elea s an   a ctio n   p o ten tial.  T h d ev elo p m en o f   th s p i k i n g   n eu r o n   m o d el  is   ess e n tia to   th r ea liza tio n   o f   S NN.   Neu r o n s   d i f f er   i n   th ei r   elec tr ical  an d   g eo m etr ic  p r o p e r ties .   T h s p ik in g   n eu r o n   m o d el,   as  s ee n   in   Fi g u r 5 ,   is   in teg r ate - an d - f ir ( I A F)   m o d el   as  d ep icted   in   Fi g u r [ 1 5 ]   w ill  b co m p u ted   u s i n g   t h SNN  a n d   L I m eth o d .   T h te m p o r al  d y n a m ics   ar f o r m u la ted :      = + ( )     ( 1 4 )     w h er e:    =   m e m b r an p o ten tia l   an d     ti m co n s ta n t .     =   g e ts   m o d u l a te d   b y   th e   s y n a p t i c   w ei g h t   an d   ( ) =   in c o m in g   s p ik e a   s p ik e   t r ai n   c an   b e   d e s c r i b e d   as :     ( ) = ( )     ( 1 5 )     w h er e   = 1 , 2 ,   T h s o f t m a x   f o r m u la,   s o m eti m es c alled   t h n o r m a lized   ex p o n en tial   [ 9 ]   is   g iv e n :     = ( ) ( )     ( 1 6)     L I F   m o d el   ar d escr ib ed   b y   s in g le  f ir s t - o r d er   lin ea r   d if f er e n tial e q u at io n :       = ( ) +     ( 1 7 )         = 1 ( ) + + ( ) (  )     ( 1 8 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI K A   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l           C la s s if ica tio n   o f P 3 0 0   ev en t - r ela ted   p o ten tia ls   u s in g   S N N ,   C N N   a n d   LS TM     ( A h la a M.  S a ed )   1299   T h m e m b r an ti m co n s tan    s atis f ies   [ 1 4 ] .     =     ( 1 9 )     T h lo s s   f u n ctio n   d u r in g   tr ai n i n g ,   w h ic h   ca n   b ca lcu la te d   as :      ( ( ( ) ) , ( ) ) = 1 (  ( ( ) ) ( 1 ) l og ( 1 ( ( ) ) ) )     ( 2 0 )     T h e   E E G   c an   o b t a in   th e   b es t   r e c o v e r y   f r o m   th e   en c o d e d   s p ik e   t r a in s   b y   m in im iz in g   th e   e r r o r   w h i ch   i s   d ef in ed     as   ( 2 1 ) .       = |  |     ( 2 1 )       Sp ik tr ai n s   o f   t h o u tp u la y er   ar f ilter ed   b y   d o u b le  e x p o n en tial  s y n ap tic  f ilter     f o r   ea ch   n e u r o n   j   as  s h o w n   in   ( 2 2 ) ,   ( 2 3 ) .     ̇ = +     ( 2 2 )     ̇ = + 1 ( )   ( 2 3 )     As s h o w n   i n   ( 2 4 ) ,   f o r   s in g le  ch an n el  c ,   w h er *   in d icate s   d o t p r o d u ct  m u ltip licatio n .      =      ( 2 4 )           Fig u r 6 E q u iv ale n t c ir cu it o f   co n s tan t - lea k   I A m o d el  [ 1 9 ]       2 . 4 .     P 3 0 0   po t ent ia l in B CI   A llo w s   u s er s   to   u tili ze   t h eir   b r ain   s ig n als  to   ch o o s o b j ec ts   o n   s cr ee n   o r   s p ell  w o r d s .   T h ter m   P 3 0 0   d esig n a tes  p ar ticu lar   k in d   o f   E R P   th at  h ap p e n s   ab o u 3 0 0   m s   af ter   an   i n d iv id u al  n o tice   n o te w o r t h y   s ti m u l u s ,   l ik t ar g et  letter   o r   s y m b o [ 1 5 ] ,   [ 1 6 ] .   T h g en er al  o p er atio n   o f   P 3 0 0 - b ased   B C I   s p eller   task   i s   as  f o llo w s t h P 3 0 0   s p eller   s y s te m   b eg in s   w ith   E E s e tu p   an d   ca lib r atio n ,   w h er s ca l p   elec tr o d es  r ec o r d   b r ain   ac tiv i t y .   A   6 ×6   m atr i x   ( 3 6   ch ar ac ter s )   is   d is p la y ed ,   a n d   th u s er   f o cu s es  o n   th e   d esire d   ch ar ac ter   [ 1 9 ] .   W h en   th tar g et  f las h es,  P 3 0 0   r esp o n s i s   g e n er ated   an d   d etec ted .   A   cla s s i f icatio n   alg o r it h m   id en ti f ies  t h s elec ted   ch ar ac ter   b ased   o n   P 3 0 0   r esp o n s es,  p r o v id in g   r ea l - ti m f ee d b ac k   a n d   er r o r   co r r e ctio n   i f   n ee d ed   [ 4 ] ,   [ 1 3 ] ,   [ 1 5 ] ,   [ 1 6 ] .   E lectr o d es  ar ty p icall y   p lace d   ac co r d in g   to   th I n ter n atio n al  1 0 2 0   s y s te m ,   a n d   s p ec if ic  ch a n n els   ( F3 ,   F4 ,   C 3 ,   C 4 ,   P 3 ,   P 4 ,   O1 ,   O2 )   h av e   b ee n   s h o w n   to   i m p r o v ef f icie n c y   an d   r ed u ce   co s [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 1 3 ] [ 1 9 ] .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6930   T E L KOM NI K A   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l ,   Vo l.  24 ,   No .   4 A u g u s 20 26 1 294 - 1 3 0 6   1300   3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O   3 . 1 .     Cla s s if ica t io m o de ls     Ou r   s u g g e s ted   ar ch itect u r c o m b i n es   v ar io u s   A N la y er   t y p es,  as  f o llo w s f u ll y   co n n ec ted   la y er   ( FC ) ,   a   la y er   is   co m m o n l y   r e f er r ed   to   as  s u ch   w h e n   e v er y   n eu r o n   in   t h i n p u i s   co u p led   to   ev er y   n e u r o n   i n   th o u tp u [ 1 6 ] .   T h f o llo w i n g   ( 2 5 )   y ield s   th o u tp u t i n   an   F C   la y er :         =     (    +   )     (2 5 )       ( · )   d en o tes  a n   ele m e n t - w i s n o n - li n ea r it y ,   s u ch   as  h y p er b o lic  tan g e n t   ( T an H) ,   s i g o m id ,   o r   r ec tif ied   li n ea r   u n i t ( R e L U)   as s h o w   in   Fig u r e s   7 ( a )   an d   ( b ) .         ( a)       ( b )     Fig u r 7 .   A cti v atio n   f u n c tio n ( a )   T an H - s i g m o id   ac tiv at io n   f u n ct io n   an d   ( b )   R eL f u n ctio n       3 . 2 .     Reso urce s   f o s i m ula t in g   T h s ec o n d   s ec tio n   r ev ie w s   t o o ls   f o r   m o d elin g   an d   s i m u l atin g   v ar io u s   n e u r al  n et w o r k s .   Sev er al  p o w er f u f r a m e w o r k s   ar av ai lab le,   m o s tl y   b ased   o n   P y t h o n   d u to   its   s i m p le  s y n ta x   an d   co m p atib il it y   w i th   C /C ++ .   E x a m p les  i n cl u d T e n s o r Flo w ,   Ker as,  NE UR ON,   Nen g o P y t h o n   n e u r al  n et w o r k s   ( P y NN ) ,   B r ian ,   B in d in g s   f o r   n eu r al  n et w o r k s   ( B in d s NE T ) ,   an d   n eu r al  s i m u latio n   to o l   ( NE ST ) .   T h ese  lib r ar ies  ar also   u s ed   f o r   er r o r   ev alu atio n ,   g r ap h   e x t r ac tio n ,   an d   n e u r al  n et w o r k   s i m u latio n   [ 2 0 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI K A   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l           C la s s if ica tio n   o f P 3 0 0   ev en t - r ela ted   p o ten tia ls   u s in g   S N N ,   C N N   a n d   LS TM     ( A h la a M.  S a ed )   1301   3 . 3 .     E v a lua t ed  m o del s     3 . 3 . 1 .   CNN  m o del s   A   C NN   la y er   ca p t u r es  lo ca c o r r elatio n s   b et w ee n   ad j ac en i n p u ce l ls ,   p r o d u ci n g   m u lti - d i m en s io n a l   f ea t u r m ap s   u s i n g   tr ain ab le  k er n el s .   A   o n e - d i m e n s io n al  ( 1 D)   C NN  ex a m p le  is   s h o w n   i n   Fi g u r 8   [ 9 ] ,   [ 1 1 ] ,   [ 1 4 ] .   T h f ir s la y er   h as  1 0   s p atial  f ilter s   ( 5 5 ×1 ) ,   th s ec o n d   la y er   h a s   1 3   te m p o r al  f ilte r s   ( 1 ×5 )   p r o ce s s in g   f i v co n s ec u tiv ti m p o in ts   w it h o u o v er lap .   T h th ir d   an d   f o u r th   la y er s   ar f u ll y   co n n ec ted ,   en d in g   w ith   a   s in g le  s i g m o id - ac t iv ated   ce ll t h at  o u tp u ts   s ca lar .     3 . 3 . 2 .   L ST M   mo del   L S T M   m a d u p   o f   1 0 0   an d   3 0   h i d d en   ce l ls ,   r es p e c ti v e ly ,   in   e ac h   o f   i ts   s in g l L S T M   l ay e r s .   B o th   m o d e ls   cu lm in a t in   s in g l e   ce l l   t h a t   p r o d u c e s   a   s c al a r   an d   h a s   s ig m o i d   a ct iv a ti o n   l ay e r ,   as   s h o w   in   Fi g u r e   [ 9 ] [ 1 1 ] :   ( i )   e ac h   s u b j ec t s   d ata  is   u s ed   s ep ar atel y   f o r   tr ain in g   an d   te s ti n g   i n   o r d er   to   lo o k   at  i n tr a - s u b j ec d if f er e n ce s ;   ( i i )   e x a m i n i n g   th e   ef f ec t s   o f   ad d itio n al  d ata  b y   co m b i n i n g   tr ai n i n g   a n d   test i n g   d ata  f r o m   d if f er en t   s u b j ec ts ;   an d   ( i i i )   t r an s f er   le ar n in g teac h in g   all  b u o n e   s u b j ec t.  T h is   ex p er i m en aim s   to   ex p lo r th ad v an ta g es  o f   ad ap tin g   m o d el  th at  w as  tr ai n ed   o f f li n o n   s ev er al  s u b j ec ts   to   n e w   s u b j ec t,  eith er   w i th   o r   w it h o u t f u r th er   ca lib r atio n   [ 1 8 ] ,   [ 2 1 ] .     3 . 3 . 3 .   SNN  m o del   A t h n e u r o n al  lev el,   b r ain   d y n a m ics  ar m o d eled   m ath e m atica ll y ,   b u s i m u lati n g   a n d   tr ain in g   SNNs   w it h   m an y   s y n ap s e s   is   ch alle n g i n g   d u e   to   h ig h   e v e n t   r ates  [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] .   A   f ee d   f o r w ar d   SNN   w it h   L I F   n eu r o n s   w as  d es ig n ed   to   g en e r ate  E E s ig n als.  Si n ce   t h tr u s p ik tr ain   f o r   P 3 0 0   is   u n a v ailab le,   P o is s o n   s p ik tr ain   at  1 0   Hz  s er v es  as  in p u t,  f o llo w ed   b y   o n h id d en   an d   o n o u tp u la y er .   L a y er   s izes  v ar y   p er   P 3 0 0 .   Ou tp u s p i k es  ar co n v er ted   t o   r ate  s ig n als  v ia  d o u b le  e x p o n en tial  s y n ap tic  f ilter   a n d   w ei g h ted   to   p r o d u ce   E E [ 2 0 ] .   A ll  w ei g h m atr ic es,  ex ce p p er tu r b atio n   la y er s ,   w er tr ain ed ,   w h ile  th p e r tu r b atio n   la y er   o f   P o is s o n   n e u r o n s   m o d el s   b ac k g r o u n d   n o is e,   as s h o w   in   Fi g u r 10  [ 1 9 ] [ 2 3 ] .                   Fig u r e   8 C NN  m ode l     Fig u r e   9 L ST m o d el     Fig u r 1 0 SNN  m o d el       3 . 4 .     De s cr iptio n o f   ex peri m e nta l da t a   D e e p   l e a r n in g   m o d e ls ,   in cl u d in g   SN N   an d   L S T M ,   w e r e   u s e d   t o   c l as s i f y   P3 0 0   d a t a   o b t ai n e d   f r o m   K a g g le .   T h d a t as e w as   g en e r a t e d   u s in g   th c o n v en t i o n a l 6 ×6   D o n ch i n   an d   F a r ew el l P3 0 0   s p e l l e r   m a t r ix .   E a ch   o f   th e   s ev en   w o r d s   c o n t a in e d   f i v e   l et t e r s ,   a n d   th e   m a t r i x   w as   s t im u la t e d   1 2 0   t im es   p e r   l e t te r   ( 1 0   t im e s   p e r   r o w   a n d   c o lu m n ) .   T h e   g o a w as   t o   d e c o d e   f o u r   w o r d s   f r o m   th e   r em ai n in g   tw en ty   l e tt e r s .   A   0 . 1 3 0   H z   b a n d - p a s s   f il t e r   an d   a   5 0   H z   n o t ch   f il t e r   w e r e   a p p l i e d ,   an d   d a t a   w e r e   c o l l e c t e d   f r o m   e ig h t   s u b je c t   ( T a b l e   1 )   [ 1 9 ] ,   [ 2 3 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   1 6 9 3 - 6930   T E L KOM NI K A   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l ,   Vo l.  24 ,   No .   4 A u g u s 20 26 1 294 - 1 3 0 6   1302   T ab le  1 .   B asic in f o r m atio n   o f   s u b j ec ts   S u b j e c t   A g e   G e n d e r   1   56   M a l e   2   21   M a l e   3   23   F e mal e   4   29   M a l e   5   20   F e mal e   6   24   M a l e   7   29   M a l e   8   30   M a l e       3 . 5 .     Da t a   p re pro ce s s ing   T h co d w a s   i m p le m en ted   u s in g   Ker as.  T h d ataset  w a s   d iv id ed   in to   t w o   clas s es:  tar g et   P 3 0 0   an d   n o n - tar g et.   E ac h   s a m p le  co n ta in s   5 5   ch an n el s   w ith   1 7 5   s am p lin g   p o in ts   p er   ch an n el.   Af te r   p r e p r o ce s s in g ,   th e   tr ain i n g   s et  i n cl u d ed   2 8 1 0   n o n - tar g et  s a m p les  a n d   5 4 8   ta r g et  P 3 0 0   s am p les.   T o   ev alu ate  th m o d el,   f i v e f o ld   cr o s s - v alid atio n   w a s   ap p lied .   Fiv s u b s et s   o f   th tr ai n in g   d ata  w er cr ea ted .   Fo u r   s u b s et s   w er u tili ze d   f o r   tr ain i n g   an d   o n w as  u s ed   f o r   v alid atio n   in   ea c h   iter atio n .   T h f in al  ev al u atio n   m etr ic  was  ca lcu lated   as  th e   av er ag ac c u r ac y   ac r o s s   t h f iv f o ld s   [ 1 9 ] ,   [ 2 2 ] ,   [ 2 4 ] .   T h P 3 0 0   p o ten tial  is   id e n ti f ied   b y   p o s iti v p ea k   o cc u r r in g   ar o u n d   3 0 0   m s   a f t er   s ti m u l u s   o n s et,   as  s h o w n   in   Fi g u r es   11 ( a )   an d   ( b ) .   I i s   elicited   w h en   a n   in d iv id u al  d etec ts   a n   in f r eq u e n b u e x p ec ted   s ti m u l u s   a m o n g   f r eq u e n o n es.  I n   t w o - cla s s   class i f icatio n   tas k s ,   r ar s ti m u li  g e n er ate  P 3 0 0   r esp o n s in   t h E E s i g n a l.  T h is   f r a m e w o r k   is   k n o w n   a s   th o d d b all  p ar ad ig m   an d   h as b ee n   e x te n s i v el y   s t u d i ed   [ 1 5 ] ,   [ 1 9 ] ,   [ 2 5 ] .         ( a)       ( b )     Fig u r 1 1 .   W av ch ar ac ter izatio n :   ( a )   P 3 0 0   p o ten tial d iag r a m   an d   ( b )   p o s tiv p ea k   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KOM NI K A   T elec o m m u n   C o m p u t E C o n tr o l           C la s s if ica tio n   o f P 3 0 0   ev en t - r ela ted   p o ten tia ls   u s in g   S N N ,   C N N   a n d   LS TM     ( A h la a M.  S a ed )   1303   3 . 6 .    Resul t s   T h m o d els   p r ed icted   ac tio n s   ar f ir s d is p la y ed   in   t h ese  Fi g u r es   12   an d   1 3 .   T h m o d els   ac cu r ac y   in   id en ti f y i n g   t h n ee d ed   lette r   is   th e n   d is p la y ed   i n   t h T ab l es  2   to   4   th at  f o llo w ,   alo n g   w i th   lo s s   p er ce n ta g e   ca lcu latio n   f o r   ea ch   m o d el.   T h m e m b r an d y n a m ics  an d   d ef o r m atio n   o f   t h co n s ta n t - l ea k   I AF  m o d el  ar s h o w n   i n   Fi g u r 1 4 .   T ab les  2   to   4   p r esen th s u b j ec t - w is e   class if icatio n   p er f o r m a n ce   o f   th C NN,   L ST M,   an d   SNN  m o d els  in   ter m s   o f   l o s s   an d   ac cu r ac y .   T h r esu lts   d em o n s tr ate  v ar iab ilit y   ac r o s s   s u b j ec ts ,   w h ich   i s   ex p ec ted   d u to   in ter - s u b j ec t d if f er en ce s   i n   E E p atter n s   an d   th n o n - s tatio n ar y   n a tu r o f   b r ain   s i g n al s .   T h C NN  m o d el  ac h iev ed   c o n s is ten tl y   h i g h   cla s s i f ica tio n   ac cu r ac y   ac r o s s   m o s s u b j ec ts ,   w it h   s u b j ec ts   1   an d   8   o b tain in g   t h h i g h est  p er f o r m a n ce   an d   lo w   lo s s   v al u es,  in d icati n g   s tab le  tr ain in g   an d   ef f ec tiv s p atial  f ea t u r ex tr ac tio n .   T ab le  3   s h o w s   th at  th L ST m o d el  also   ac h ie v ed   co m p e titi v r es u lts   b y   ca p tu r in g   te m p o r al  d ep en d en c ies in   E E s i g n als.     T h SNN  m o d el  ac h ie v ed   s tr o n g   s u b j ec t - w i s p er f o r m a n ce ,   w it h   ac c u r ac y   co m p ar ab le  t o   C NN  f o r   s ev er al  s u b j ec ts   a n d   r elati v e l y   lo w   lo s s   v al u es,   co n f ir m in g   t h e f f ec tiv e n es s   o f   s p i k e - b a s ed   te m p o r al   en co d in g   f o r   P 3 0 0   s ig n als.  Am o n g   t h m o d els,  C NN  ac h iev ed   t h h ig h es av er a g ac cu r ac y   ( 8 1 . 0 4 %),   f o llo w ed   b y   SNN   ( 8 0 . 9 4 %)  a n d   L ST ( 8 0 . 6 0 %).   A lth o u g h   C NN  s li g h tl y   o u tp er f o r m ed   th o th er s ,   th g ap   b et w ee n   C NN  an d   SNN  is   m i n i m al  th ese  r es u lts   s h o w   t h at  SNNs   b alan ce   ac cu r ac y   an d   ef f icien c y ,   p r o v id in g   co m p eti tiv p er f o r m an ce   f o r   r ea l - ti m e,   lo w - p o w er   B C I   ap p licatio n s .           Fig u r 1 2 C NN  p r ed icatio n               Fig u r 1 3 .   L ST p r ed ictio n   Fig u r 1 4.   C o n s ta n t - leak   I A m e m b r a n d y n a m ics     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.