Reconstruire notre passé ˸ apprentissage statistique profond pour la génétique des populations

Reconstructing our past ˸ deep learning for population genetics

• Auteur / Autrice : Théophile Sanchez
• Direction : Marc Schoenauer, Guillaume Charpiat, Flora Jay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 18/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire interdisciplinaire des sciences du numérique (Orsay, Essonne ; 2021-....)
• 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 : Blaise Hanczar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Schoenauer, Aurélien Tellier, Jean-Philippe Vert, Stéphanie Manel, Audrey Durand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aurélien Tellier, Jean-Philippe Vert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (informatique)

Apprentissage profond

Génétique des populations

Mots clés libres

Génétique des populations

Apprentissage statistique profond

Inférence démographique

Réseaux de neurones artificiels

Données de taille variable

Population genetics

Deep learning

Demographic inference

Artificial neural networks

Data of variable size

Résumé

Avec l'explosion des technologies de séquençage, de plus en plus de données génomiques sont disponibles, ouvrant la voie à une connaissance approfondie des forces évolutives en œuvre et en particulier de l'histoire démographique des populations. Toutefois, extraire l'information intéressante de ces données massives de manière efficace reste un problème ouvert. Compte tenu de leurs récents succès en apprentissage statistique, les réseaux de neurones artificiels sont un candidat sérieux pour mener à bien une telle analyse. Ces méthodes ont l'avantage de pouvoir traiter des données ayant une grande dimension, de s'adapter à la plupart des problèmes et d'être facilement mis à l'échelle des moyens de calcul disponibles. Cependant, leur performance dépend fortement de leur architecture qui requiert d'être en adéquation avec les propriétés des données afin d'en tirer le maximum d'information. Dans ce cadre, cette thèse présente de nouvelles approches basées sur l'apprentissage statistique profond, ainsi que les principes permettant de concevoir des architectures adaptées aux caractéristiques des données génomiques. L'utilisation de couches de convolution et de mécanismes d'attention permet aux réseaux présentés d'être invariants aux permutations des haplotypes échantillonnés et de s'adapter à des données de dimensions différentes (nombre d'haplotypes et de sites polymorphes). Les expériences conduites sur des données simulées démontrent l'efficacité de ces approches en les comparant à des architectures de réseaux plus classiques, ainsi qu'à des méthodes issues de l'état de l'art. De plus, la possibilité d'assembler les réseaux de neurones à certaines méthodes déjà éprouvées en génétique des populations, comme l'approximate Bayesian computation, permet d'améliorer les résultats et de combiner leurs avantages. La praticabilité des réseaux de neurones pour l'inférence démographique est testée grâce à leur application à des séquences génomiques complètes provenant de populations réelles de Bos taurus et d'Homo sapiens. Enfin, les scénarios obtenus sont comparés aux connaissances actuelles de l'histoire démographique de ces populations.

Constant improvement of DNA sequencing technology that produces large quantities of genetic data should greatly enhance our knowledge of evolution, particularly demographic history. However, the best way to extract information from this large-scale data is still an open problem. Neural networks are a strong candidate to attain this goal, considering their recent success in machine learning. These methods have the advantages of handling high-dimensional data, adapting to most applications and scaling efficiently to available computing resources. However, their performance dependents on their architecture, which should match the data properties to extract the maximum information. In this context, this thesis presents new approaches based on deep learning, as well as the principles for designing architectures adapted to the characteristics of genomic data. The use of convolution layers and attention mechanisms allows the presented networks to be invariant to the sampled haplotypes' permutations and to adapt to data of different dimensions (number of haplotypes and polymorphism sites). Experiments conducted on simulated data demonstrate the efficiency of these approaches by comparing them to more classical network architectures, as well as to state-of-the-art methods. Moreover, coupling neural networks with some methods already proven in population genetics, such as the approximate Bayesian computation, improves the results and combines their advantages. The practicality of neural networks for demographic inference is tested on whole genome sequence data from real populations of Bos taurus and Homo sapiens. Finally, the scenarios obtained are compared with current knowledge of the demographic history of these populations.