Modélisation de données structurées avec des machines profondes à noyaux et des applications en biologie computationnelle

Structured Data Modeling with Deep Kernel Machines and Applications in Computational Biology

• Auteur / Autrice : Dexiong Chen
• Direction : Julien Mairal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Jean Kuntzmann (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe-projet Apprentissage de modèles à partir de données massives (Montbonnot, Isère ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Florence D'Alché-Buc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arthur Gretton
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Chloé-Agathe Azencott, Karsten Borgwardt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bioinformatique

Réseaux neuronaux (informatique)

Apprentissage profond

Mots clés libres

Apprentissage automatique

Méthodes à noyaux

Bioinformatique

Réseaux de neurones convolutifs

Modélisation de séquence

Noyaux de graphes

Machine learning

Kernel methods

Bioinformatics

Convolutional neural networks

Sequence modeling

Graph kernels

Résumé

Le développement d'algorithmes efficaces pour apprendre des représentations appropriées des données structurées, telles des sequences ou des graphes, est un défi majeur et central de l'apprentissage automatique. Pour atteindre cet objectif, l'apprentissage profond est devenu populaire pour modéliser des données structurées. Les réseaux de neurones profonds ont attiré une attention particulière dans divers domaines scientifiques tels que la vision par ordinateur, la compréhension du langage naturel ou la biologie. Par exemple, ils fournissent aux biologistes des outils de calcul qui leur permettent de comprendre et de découvrir les propriétés biologiques ou les relations entre les macromolécules des organismes vivants. Toutefois, leur succès dans ces domaines repose essentiellement sur des connaissances empiriques ainsi que d'énormes quantités de données annotées. Exploiter des modèles plus efficaces est nécessaire car les données annotées sont souvent rares.Un autre axe de recherche est celui des méthodes à noyaux, qui fournissent une approche systématique et fondée sur des principes théoriquement solides pour l'apprentissage de modèles non linéaires à partir de données de structure arbitraire. Outre leur simplicité, elles présentent une manière naturelle de contrôler la régularisation et ainsi d'éviter le surapprentissage.Cependant, les représentations de données fournies par les méthodes à noyaux ne sont définies que par des caractéristiques artisanales simplement conçues, ce qui les rend moins performantes que les réseaux de neurones lorsque suffisamment de données étiquetées sont disponibles. Des noyaux plus complexes, inspirés des connaissances préalables utilisées dans les réseaux de neurones, ont ainsi été développés pour construire des représentations plus riches et ainsi combler cette lacune. Pourtant, ils sont moins adaptatifs. Par comparaison, les réseaux de neurones sont capables d'apprendre une représentation compacte pour une tâche d'apprentissage spécifique, ce qui leur permet de conserver l'expressivité de la représentation tout en s'adaptant à une grande taille d'échantillon.Il est donc utile d'intégrer les vues complémentaires des méthodes à noyaux et des réseaux de neurones profonds pour construire de nouveaux cadres afin de bénéficier du meilleur des deux mondes.Dans cette thèse, nous construisons un cadre général basé sur les noyaux pour la modélisation des données structurées en tirant parti des connaissances préalables des méthodes à noyaux classiques et des réseaux profonds. Notre cadre fournit des outils algorithmiques efficaces pour l'apprentissage de représentations sans annotations ainsi que pour l'apprentissage de représentations plus compactes de manière supervisée par les tâches. Notre cadre peut être utilisé pour modéliser efficacement des séquences et des graphes avec une interprétation simple. Il offre également de nouvelles perspectives sur la construction des noyaux et de réseaux de neurones plus expressifs pour les séquences et les graphes.

Developing efficient algorithms to learn appropriate representations of structured data, including sequences or graphs, is a major and central challenge in machine learning. To this end, deep learning has become popular in structured data modeling. Deep neural networks have drawn particular attention in various scientific fields such as computer vision, natural language understanding or biology. For instance, they provide computational tools for biologists to possibly understand and uncover biological properties or relationships among macromolecules within living organisms. However, most of the success of deep learning methods in these fields essentially relies on the guidance of empirical insights as well as huge amounts of annotated data. Exploiting more data-efficient models is necessary as labeled data is often scarce.Another line of research is kernel methods, which provide a systematic and principled approach for learning non-linear models from data of arbitrary structure. In addition to their simplicity, they exhibit a natural way to control regularization and thus to avoid overfitting.However, the data representations provided by traditional kernel methods are only defined by simply designed hand-crafted features, which makes them perform worse than neural networks when enough labeled data are available. More complex kernels inspired by prior knowledge used in neural networks have thus been developed to build richer representations and thus bridge this gap. Yet, they are less scalable. By contrast, neural networks are able to learn a compact representation for a specific learning task, which allows them to retain the expressivity of the representation while scaling to large sample size.Incorporating complementary views of kernel methods and deep neural networks to build new frameworks is therefore useful to benefit from both worlds.In this thesis, we build a general kernel-based framework for modeling structured data by leveraging prior knowledge from classical kernel methods and deep networks. Our framework provides efficient algorithmic tools for learning representations without annotations as well as for learning more compact representations in a task-driven way. Our framework can be used to efficiently model sequences and graphs with simple interpretation of predictions. It also offers new insights about designing more expressive kernels and neural networks for sequences and graphs.