Thèse soutenue

Bases neuronales de binding dans des représentations symboliques : exploration expérimentale et de modélisation

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Auteur / Autrice : Martín Pérez-Guevara
Direction : Christophe Pallier
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Neurosciences
Date : Soutenance le 29/11/2017
Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Cerveau, cognition, comportement (Paris)
Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Descartes (1970-2019)
Laboratoire : Neuroimagerie cognitive / U992
Jury : Président / Présidente : François-Xavier Alario
Examinateurs / Examinatrices : Christophe Pallier, François-Xavier Alario, Sander Marcel. Bohte, Emmanuel Dupoux, Marc de Kamps
Rapporteurs / Rapporteuses : François-Xavier Alario, Sander Marcel. Bohte

Résumé

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Le travail présenté dans cette thèse fait partie d’un programme de recherche qui vise à comprendre comment le cerveau traite et représente les structures symboliques dans des domaines comme le langage ou les mathématiques. L’existence de structures composées de sous-éléments, tel que les morphèmes, les mots ou les phrases est très fortement suggérée par les analyses linguistiques et les données expérimentales de la psycholinguistique. En revanche, l’implémentation neuronale des opérations et des représentations qui permettent la nature combinatoire du langage reste encore essentiellement inconnue. Certaines opérations de composition élémentaires permettant une représentation interne stable des objets dans le cortex sensoriel, tel que la reconnaissance hiérarchique des formes, sont aujourd’hui mieux comprises [5]. En revanche, les modèles concernant les opérations de liaisons(binding) nécessaires à la construction de structures symboliques complexes et possiblement hiérarchiques, pour lesquelles des manipulations précises des composants doit être possible, sont encore peu testés de façon expérimentale et incapables de prédire les signaux en neuroimagerie. Combler le fossé entre les données de neuroimagerie expérimentale et les modèles proposés pour résoudre le problème de binding est une étape cruciale pour mieux comprendre les processus de traitements et de représentation des structures symboliques. Au regard de ce problème, l’objectif de ce travail était d’identifier et de tester expérimentalement les théories basées sur des réseaux neuronaux, capables de traiter des structures symboliques pour lesquelles nous avons pu établir des prédictions testables, contre des mesures existantes de neuroimagerie fMRI et ECoG dérivées de tâches de traitement du langage. Nous avons identifié deux approches de modélisation pertinentes. La première approche s’inscrit dans le contexte des architectures symboliques vectorielles (VSA), qui propose une modélisation mathématique précise des opérations nécessaires pour représenter les structures dans des réseaux neuronaux artificiels. C’est le formalisme de Paul Smolensky[10], utilisant des produit tensoriel (TPR) qui englobe la plupart des architectures VSA précédemment proposées comme, par exemple, les modèles d’Activation synchrones[9], les représentations réduites holographique[8], et les mémoires auto-associatives récursives[1]. La seconde approche que nous avons identifiée est celle du "Neural Blackboard Architecture" (NBA), développée par Marc De Kamps et Van der Velde[11]. Elle se démarque des autres en proposant une implémentation des mécanismes associatifs à travers des circuits formés par des assemblages de réseaux neuronaux. L’architecture du Blackboard repose sur des changements de connectivité transitoires des circuits d’assemblages neuronaux, de sorte que le potentiel de l’activité neurale permise par les mécanismes de mémoire de travail après un processus de liaison, représente implicitement les structures symboliques. Dans la première partie de cette thèse, nous détaillons la théorie derrière chacun de ces modèles et les comparons, du point de vue du problème de binding. Les deux modèles sont capables de répondre à la plupart des défis théoriques posés par la modélisation neuronale des structures symboliques, notamment ceux présentées par Jackendo[3]. Néanmoins, ces deux classes de modèles sont très différentes. Le TPR de Smolenky s’appuie principalement sur des considérations spatiales statiques d’unités neurales artificielles, avec des représentations explicites complètement distribuées et spatialement stables mises en œuvre par des vecteurs. La NBA en revanche, considère les dynamiques temporelles de décharge de neurones artificiels, avec des représentations spatialement instables implémentées par des assemblages neuronaux. (...)