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

💡 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

📊 주요 결과

💭 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