Analysis and classification of spatial cognition using non-linear analysis and artificial neural networks

Abstract

The main objective of the present work is to propose, develop, test, and show a method for classifying the spatial cognition degree of development on different individuals. Thirty-Seven undergraduate students had their electroencephalogram (EEG) recorded while engaged in 3-D images mental rotation tasks. Their spatial cognition degree of development was evaluated using a BPR-5 psychological test. The Largest Lyapunov Exponent (LLE) was calculated from each of the 8 electrodes recorded in each EEG. The LLEs were used as input for five different classifiers: i) multi-layer perceptron artificial neural network, ii) radial base functions artificial neural network, iii) voted perceptron artificial neural network, iv) support vector machines, and v) K-Nearest Neighbors. The best result was achieved by using a RBF with 4 clusters and Puk kernel function. Also a statistical analysis of the brain activity, based in the calculated LLEs, differences between two interest groups: SI+ (participants with an alleged higher degree of development of their spatial cognition) and SI- (control group) during the performing of mental rotation of tridimensional images tasks was done.. An average difference of 16% was found between both groups. The proposed classification method can contribute and interact with other processes in the analysis and study of human spatial cognition, as in the understanding of the human intelligence at all. A better understanding and evaluation of the cognitive capabilities of an individual could suggest him elements of motivation, ease or natural inclinations, possibly affecting the decisions of his life and carrier positively.

O principal objetivo do presente trabalho é propor, desenvolver, testar e apresentar um método para a classificação do grau de desenvolvimento da capacidade cognitiva espacial de diferentes indivíduos. 37 alunos de graduação tiveram seus eletroencefalogramas (EEGs) capturados enquanto estavam engajados em tarefas de rotação mental de imagens tridimensionais. Seu grau de desenvolvimento da capacidade cognitiva espacial foi avaliado utilizando-se um teste psicológico BPR-5. O maior expoente de Lyapunov (LLE) foi calculado a partir de cada um dos 8 canais dos EEGs capturados. OS LLEs foram então utilizados como tuplas de entrada para 5 diferentes classificadores: i) perceptron de múltiplas camadas, ii) rede neural artificial de funções de base radial, iii) perceptron votado, iv) máquinas de vetor de suporte, e v) k-vizinhos. O melhor resultado foi obtido utilizando-se uma RBF com 4 clusters e a função de kernel Puk. Também foi realizada uma análise estatística das diferenças de atividade cerebral, baseando-se nos LLEs calculados, entre os dois grupos de interesse: SI+ (indivíduos com um suposto maior grau de desenvolvimento da sua capacidade cognitiva espacial) e SI- (grupo de controle) durante a realização de tarefas de rotação mental de imagens tridimensionais. Uma diferença média de 16% foi encontrada entre os dois grupos. O método de classificação proposto pode vir a contribuir e a interagir com outros processos na analise e no estudo da capacidade cognitiva espacial humana, assim como no entendimento da inteligência humana como um todo. Um melhor entendimento e avaliação das capacidades cognitivas de um indivíduo podem sugerir a este elementos de motivação, facilidade ou de inclinações naturais suas, podendo, provavelmente, afetar as decisões da sua vida e carreira de uma forma positiva.