Analyse non-supervisée en composante de données d'imageries neuronales

Unsupervised component analysis for neuroimaging data

• Auteur / Autrice : Hugo Richard
• Direction : Bertrand Thirion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et Informatique
• Date : Soutenance le 20/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Saclay, Ile-de-France)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Tülay Adali
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Moritz Grosse-Wentrup, Aapo Hyvärinen, Christian Jutten, Matthieu Kowalski
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Tülay Adali, Moritz Grosse-Wentrup

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie

Cerveau

Neurosciences

Apprentissage automatique

Mots clés libres

Analyse en composantes

Apprentissage automatique

Neuro-imagerie

Component analysis

Machine learning

Neuro-imaging

Résumé

Cette thèse d'informatique et de mathématiques s'applique au domaine des neurosciences, et plus particulièrement aux recherches sur la modélisation de l'activité cérébrale humaine par électrophysiologie et imagerie. Dans ce champ, la tendance est actuellement d’expérimenter avec des stimuli naturels, comme le visionnage d’un film ou l’écoute d’une piste audio, et non plus avec des stimuli étroitement contrôlés mais outrageusement simples. L’analyse de ces stimuli « naturels » et de leurs effets demande toutefois de disposer d’une immense quantité d’images, par ailleurs très coûteuses. Sans outils mathématique, identifier l'activité neuronale à partir des données est quasi impossible. Toutefois, ces stimuli sont compliqués à modéliser et à analyser, car l'utilisation de méthodes fondées sur des régressions est limitée par la difficulté de modéliser les stimuli. C'est ce qui motive l'utilisation de méthodes non-supervisées qui ne font pas d'hypothèses sur ce qui déclenche les activations neuronales. Dans cette thèse, nous considérons d'abord le cas du modèle de réponse partagée (MRP), dans lequel les sujets sont supposés partager une réponse commune. Ce modèle est utile pour réduire la dimension des données, mais son entraînement est coûteux pour les données d'imagerie fonctionnelle (IRMf) dont la dimension peut être immense. Nous présentons une version bien plus rapide et beaucoup plus économe en mémoire. Mais le MRP fait des hypothèses irréalistes sur les données d'imagerie. Des hypothèses plus réalistes sont utilisées dans l'analyse en composantes indépendantes (ACI) mais cette méthode est difficile à généraliser aux jeux de données qui contiennent plusieurs sujets. Nous proposons alors une extension de l'ACI appelée ACI multi-vue, fondée sur le principe de maximum de vraisemblance et qui convient à des jeux de données multi-sujets. L’ACI multi-vue a une vraisemblance en forme fermée qui peut être maximisée efficacement. Toutefois, cette méthode suppose la même quantité de bruit pour tous les sujets. Nous présentons donc l’ACI partagée, une généralisation de l’ACI multi-vue qui s'accompagne d'un modèle de bruit plus général. Contrairement à presque tous les modèles fondés sur l'ACI, l’ACI partagée peut séparer des sources gaussiennes et non gaussiennes et propose une estimation optimale des sources communes, qui pondère chaque sujet en fonction de son niveau de bruit estimé. En pratique, l’ACI partagée et l’ACI multi-vue permettent d'obtenir, en magnéto-encéphalographie et en IRMf, une estimation plus fiable de la réponse commune que leurs concurrents. Enfin, nous utilisons l'ACI comme base pour faire de l'augmentation de données. Plus précisément, nous présentons l’ACI conditionnelle, une méthode d'augmentation de données qui exploite la grande quantité de données d'IRMf non étiquetées pour construire un modèle génératif en utilisant seulement un petit nombre de données étiquetées. L’ACI conditionnelle permet d'augmenter de façon appréciable la précision du décodage sur huit grands jeux de données d'IRMf. Nos principaux apports nous semblent consister dans l’accélération de l’entraînement du MRP ainsi que dans l’introduction de deux modèles plus réalistes pour l’analyse de l’activité cérébrale de sujets exposés à des stimuli naturels : l’ACI multi-vue et l’ACI partagée. Enfin, nos résultats sont prometteurs concernant l’utilisation de l’ACI pour faire de l’augmentation de données. Nous présentons pour finir quelques pistes qui pourraient guider des travaux ultérieurs. D’un point de vue pratique, des modifications mineures de nos méthodes pourraient permettre l’analyse des données d’imagerie obtenues sur des sujets au repos en faisant l’hypothèse d’une organisation spatiale partagée. D’un point de vue théorique, les travaux futurs pourraient se concentrer sur la compréhension de la façon dont la réduction de dimensions et l'identification de la réponse partagée peuvent être réalisées conjointement.

This thesis in computer science and mathematics is applied to the field ofneuroscience, and more particularly to the mapping of brain activity based on imaging electrophysiology. In this field, a rising trend is to experiment with naturalistic stimuli such as movie watching or audio track listening,rather than tightly controlled but outrageously simple stimuli. However, the analysis of these ''naturalistic'' stimuli and their effects requires a huge amount of images that remain hard and costly to acquire. Without mathematical modeling, theidentification of neural signal from the measurements is very hard if not impossible. However, the stimulations that elicit neural activity are challenging to model in this context, and therefore, the statistical analysis of the data using regression-based approaches is difficult. This has motivated the use of unsupervised learning methods that do not make assumptions about what triggers brain activations in the presented stimuli. In this thesis, we first consider the case of the shared response model (SRM), wheresubjects are assumed to share a common response. While this algorithm is usefulto perform dimension reduction, it is particularly costly on functional magneticresonance imaging (fMRI) data where thedimension can be very large. We considerably speed up thealgorithm and reduce its memory usage. However, SRM relies on assumptions thatare not biologically plausible. In contrast, independent component analysis (ICA) is more realistic but not suited to multi-subject datasets. In this thesis, we present a well-principled method called MultiViewICA that extends ICA to datasets containing multiple subjects. MultiViewICA is a maximum likelihood estimator. It comes with a closed-formlikelihood that can be efficiently optimized. However, it assumes the same amount of noise for all subjects. We therefore introduce ShICA, a generalization of MultiViewICA that comes with a more general noise model. In contrast to almost all ICA-based models, ShICA can separate Gaussian and non-Gaussian sources and comes with a minimum mean square error estimate of the common sources that weights each subject according to its estimated noise level. In practice, MultiViewICA and ShICA yield on magnetoencephalography and functional magnetic resonance imaging a more reliable estimateof the shared response than competitors. Lastly, we use independent component analysis as a basis to perform data augmentation. More precisely, we introduce CondICA, a data augmentation method that leverages a large amount of unlabeled fMRI data to build a generative model for labeled data using only a few labeled samples. CondICA yields an increase in decoding accuracy on eight large fMRI datasets. Our main contributions consist in the reduction of SRM's training time as well as in the introduction of two more realistic models for the analysis of brain activity of subjects exposed to naturalistic stimuli: MultiViewICA and ShICA. Lastly, our results showing that ICA can be used for data augmentation are promising. In conclusion, we present some directions that could guide future work. From apractical point of view, minor modifications of our methods could allow theanalysis of resting state data assuming a shared spatial organization instead of a shared response. From a theoretical perspective, future work could focus on understanding how dimension reduction and shared response identification can be achieved jointly.