Prédiction de liens explicables dans un grand graphe complexe - application au repositionnement de médicaments

Explainable link prediction in large complex graphs - application to drug repurposing

• Auteur / Autrice : Md Kamrul Islam
• Direction : Malika Smail-Tabbone, Sabeur Aridhi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire lorrain de recherche en informatique et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Fatiha Saïs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Malika Smail-Tabbone, Sabeur Aridhi, Paolo Merialdo, Luc Brun, Miguel Couceiro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paolo Merialdo, Luc Brun

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exploration de données

Web sémantique

Plongements (mathématiques)

Graphes de lien

Représentation des connaissances

Théorie des graphes

Mots clés libres

Graphe simple

Graphe de connaissance

Prédiction de lien

Plongement de graphe

Génération de triplets négatifs

Repositionnement de médicaments

Simple graph

Knowledge graph

Link prediction

Graph embedding

Generation of negative triples

Drug repurposing

Résumé

De nombreux systèmes complexes du monde réel peuvent être représentés par des graphes, où les nœuds représentent des entités et les liens des relations entre les paires de nœuds. La prédiction de liens (LP) est l'un des problèmes les plus intéressants et les plus anciens dans le domaine de l'exploration de graphes ; elle prédit la probabilité d'un lien entre deux nœuds non connectés. Cette thèse étudie le problème LP dans les graphes simples et les graphes de connaissances (KGs). La première partie de cette thèse se concentre sur le problème LP dans les graphes simples. Dans la première étude, des approches basées sur la similarité et sur l'encastrement sont évaluées et comparées sur des graphes simples de différents domaines. L'étude a également identifié la difficulté de fixer le seuil du score de similarité pour calculer la métrique de précision des approches basées sur la similarité et a proposé une nouvelle méthode pour calculer la métrique. Les résultats ont montré la supériorité attendue des approches basées sur l'intégration. Cependant, chaque approche basée sur la similarité s'est avérée compétitive sur des graphes aux propriétés spécifiques. Nous avons pu vérifier expérimentalement que les approches basées sur la similarité sont explicables mais manquent de généralisation, tandis que les approches basées sur l'encastrement sont générales mais non explicables. La deuxième étude tente de surmonter la limitation de l'inexplicabilité des approches basées sur l'encastrement en découvrant des connexions intéressantes entre elles et les approches basées sur la similarité. La troisième étude démontre comment les approches basées sur la similarité peuvent être assemblées pour concevoir une approche LP supervisée explicable. Il est intéressant de noter que l'étude montre des performances LP élevées pour l'approche supervisée sur différents graphes, ce qui est très satisfaisant. La deuxième partie de la thèse se concentre sur les LP dans les KGs. Un KG est représenté comme une collection de triplets RDF, (head,relation,tail) où les entités head et tail sont reliées par une relation spécifique. Le problème de LP dans un KG est formulé comme la prédiction de la tête ou de la queue manquante dans un triplet. La LP basée sur l'incorporation de KG est devenue très populaire ces dernières années, et la génération de triplets négatifs est une tâche importante dans les méthodes d'incorporation. La quatrième étude traite d'une nouvelle méthode appelée SNS pour générer des triplets négatifs de haute qualité. Nos résultats montrent une meilleure performance LP lorsque SNS est utilisé que lorsque d'autres méthodes d'échantillonnage négatif sont utilisées. La deuxième étude traite d'une nouvelle méthode d'extraction de règles neuro-symboliques et d'une stratégie d'abduction pour expliquer les LP par une approche basée sur l'intégration en utilisant les règles apprises. La troisième étude applique notre LP explicable pour développer une nouvelle approche de repositionnement des médicaments pour COVID-19. L'approche apprend un ensemble d'enchâssements d'entités et de relations dans un KG centré sur COVID-19 pour obtenir un meilleur enchâssement des éléments du graphe. Pour la première fois à notre connaissance, des méthodes de criblage virtuel sont ensuite utilisées pour évaluer les prédictions obtenues à l'aide des embeddings. L'évaluation moléculaire et les chemins explicatifs apportent de la fiabilité aux résultats de prédiction et sont de nouvelles méthodes complémentaires et réutilisables pour mieux évaluer les molécules proposées pour le repositionnement. La dernière étude propose une architecture distribuée pour l'apprentissage des KG embeddings dans des environnements distribués et parallèles. Les résultats révèlent que l'apprentissage dans l'environnement distribué proposé, par rapport à un apprentissage centralisé, réduit considérablement le temps de calcul des méthodes d'incorporation KG sans affecter les performances des LP.

Many real-world complex systems can be well-represented with graphs, where nodes represent objects or entities and links/relations represent interactions between pairs of nodes. Link prediction (LP) is one of the most interesting and long-standing problems in the field of graph mining; it predicts the probability of a link between two unconnected nodes based on available information in the current graph. This thesis studies the LP problem in graphs. It consists of two parts: LP in simple graphs and LP knowledge graphs (KGs). In the first part, the LP problem is defined as predicting the probability of a link between a pair of nodes in a simple graph. In the first study, a few similarity-based and embedding-based LP approaches are evaluated and compared on simple graphs from various domains. he study also criticizes the traditional way of computing the precision metric of similarity-based approaches as the computation faces the difficulty of tuning the threshold for deciding the link existence based on the similarity score. We proposed a new way of computing the precision metric. The results showed the expected superiority of embedding-based approaches. Still, each of the similarity-based approaches is competitive on graphs with specific properties. We could check experimentally that similarity-based approaches are fully explainable but lack generalization due to their heuristic nature, whereas embedding-based approaches are general but not explainable. The second study tries to alleviate the unexplainability limitation of embedding-based approaches by uncovering interesting connections between them and similarity-based approaches to get an idea of what is learned in embedding-based approaches. The third study demonstrates how the similarity-based approaches can be ensembled to design an explainable supervised LP approach. Interestingly, the study shows high LP performance for the supervised approach across various graphs, which is competitive with embedding-based approaches.The second part of the thesis focuses on LP in KGs. A KG is represented as a collection of RDF triples, (head,relation,tail) where the head and the tail are two entities which are connected by a specific relation. The LP problem in a KG is formulated as predicting missing head or tail entities in a triple. LP approaches based on the embeddings of entities and relations of a KG have become very popular in recent years, and generating negative triples is an important task in KG embedding methods. The first study in this part discusses a new method called SNS to generate high-quality negative triples during the training of embedding methods for learning embeddings of KGs. The results we produced show better LP performance when SNS is injected into an embedding approach than when injecting state-of-the-art negative triple sampling methods. The second study in the second part discusses a new neuro-symbolic method of mining rules and an abduction strategy to explain LP by an embedding-based approach utilizing the learned rules. The third study applies the explainable LP to a COVID-19 KG to develop a new drug repurposing approach for COVID-19. The approach learns ”ensemble embeddings” of entities and relations in a COVID-19 centric KG, in order to get a better latent representation of the graph elements. For the first time to our knowledge, molecular docking is then used to evaluate the predictions obtained from drug repurposing using KG embedding. Molecular evaluation and explanatory paths bring reliability to prediction results and constitute new complementary and reusable methods for assessing KG-based drug repurposing. The last study proposes a distributed architecture for learning KG embeddings in distributed and parallel settings. The results of the study that the computational time of embedding methods improves remarkably without affecting LP performance when they are trained in the proposed distributed settings than the traditional centralized settings.