Mechanistic Interpretability of EEG Foundation Models via Sparse Autoencoders
William Lehn-Schiøler, Magnus Ruud Kjær, Rahul Thapa, Magnus Guldberg Pedersen, Anton Storgaard Mosquera, Nick Williams, Radu Gatej, Tue Lehn-Schiøler, Sándor Beniczky, Sadasivan Puthusserypady, James Zou, Lars Kai Hansen
arXiv:2605.13930 · 2026-05-15 공개 · arXiv · PDF
sparse-autoencoders eeg-transformers clinical-taxonomy concept-steering monosemanticity entanglement spectral-decoder sleepfm
Abstract
EEG foundation models achieve state-of-the-art clinical performance, yet the internal computations driving their predictions remain opaque: a barrier to clinical trust. We apply TopK Sparse Autoencoders (SAEs) across three architecturally distinct EEG transformers: SleepFM, REVE, and LaBraM to extract sparse feature dictionaries from their embeddings. By grounding these features in a clinical taxonomy (abnormality, age, sex, and medication), we benchmark monosemanticity and entanglement across architectures. A single hyperparameter procedure, driven by an intrinsic dictionary health audit, transfers robustly across all three architectures. Via concept steering, we introduce a "target vs. off-target" probe area metric to quantify steering selectivity and reveal three operational regimes: selectively steerable, encoded but entangled, and non-encoded. This framework exposes critical representational failures: "wrecking-ball" interventions that collapse global model performance, and clinical entanglements, such as age-pathology confounding, where it is impossible to suppress one concept without corrupting the other. Finally, a spectral decoder maps these interventions back to the amplitude spectrum, translating latent manipulations into physiologically interpretable frequency signatures, such as pathological slow-wave suppression and $\alpha$-band restoration.
한국어 요약
📋 한 줄 요약
**[EEG 기반 모델 · 기계적 해석가능성]** TopK Sparse Autoencoder로 SleepFM·REVE·LaBraM 등 EEG 트랜스포머의 임베딩에서 희소 특징 사전을 추출해 임상 분류 체계 위에서 monosemanticity와 entanglement를 벤치마킹한다.
🎯 핵심 기여도
- SleepFM·REVE·LaBraM 등 세 가지 구조적으로 다른 EEG 트랜스포머에 TopK SAE를 적용해 희소 특징 사전 추출
- 비정상성·연령·성별·약물 등 임상 분류 체계에 특징을 정착시켜 monosemanticity와 entanglement 벤치마크 제안
- 단일 하이퍼파라미터 절차(내재 사전 건강 감사 기반)가 세 모델 모두에 견고하게 전이됨을 보임
- 개념 스티어링 기반 "target vs. off-target" probe area 지표 도입 및 세 가지 운용 영역(선택적 스티어링 가능 / 인코딩되었으나 얽힘 / 미인코딩) 식별
💡 핵심 아이디어
EEG 기반 모델이 임상에서 SOTA를 내는 동안 내부 계산은 불투명하다. Sparse Autoencoder를 통해 표현을 풀어내고 임상 개념과 정렬하면, 임상 신뢰의 근거가 될 해석 가능한 특징과 위험한 얽힘이 동시에 드러난다.
🔬 기술적 접근법
- **모델/방법론**: SleepFM·REVE·LaBraM 임베딩에 대한 TopK Sparse Autoencoder + 임상 분류 정렬
- **핵심 기법**: 개념 스티어링 기반 target vs. off-target probe area 측정 + 잠재 개입을 진폭 스펙트럼으로 매핑하는 스펙트럴 디코더
📊 주요 결과
- 한 절차로 세 가지 다른 EEG 트랜스포머 모두에 적용 가능한 사전 추출
- 모델 성능을 통째로 무너뜨리는 "wrecking-ball" 개입과 연령-병리 confound 같은 임상 얽힘 노출
- 잠재 개입을 병적 slow-wave 억제, α 밴드 복원 같은 생리학적 주파수 시그니처로 변환
💭 의의 및 한계
**의의**: 임상 EEG 기반 모델의 의사결정을 해석·감사·안전하게 조작하기 위한 기계적 해석 가능성 도구를 제공한다. **한계**: 임상 개입(예: 연령과 병리의 얽힘 분리)이 표현 수준의 한계로 불가능한 경우를 그대로 노출하며, 이는 SAE만으로 해소되지 않는다.
🚀 실용적 활용
- 임상 EEG 모델의 도입 전 해석·감사 도구
- 잠재 개입을 통한 모델 디버깅 및 개념 confound 탐지
- 생리학적 주파수 시그니처와 모델 내부 표현의 정렬 연구