Error models in hydrogeology applications

Notre consommation en eau souterraine, en particulier comme eau potable ou pour l'irrigation, a considérablement augmenté au cours des années. De nombreux problèmes font alors leur apparition, allant de la prospection de nouvelles ressources à la remédiation des aquifères pollués. Indépendamment du problème hydrogéologique considéré, le principal défi reste la caractérisation des propriétés du sous-sol. Une approche stochastique est alors nécessaire afin de représenter cette incertitude en considérant de multiples scénarios géologiques et en générant un grand nombre de réalisations géostatistiques. Nous rencontrons alors la principale limitation de ces approches qui est le coût de calcul dû à la simulation des processus d'écoulements complexes pour chacune de ces réalisations. Dans la première partie de la thèse, ce problème est investigué dans le contexte de propagation de l'incertitude, oú un ensemble de réalisations est identifié comme représentant les propriétés du sous-sol. Afin de propager cette incertitude à la quantité d'intérêt tout en limitant le coût de calcul, les méthodes actuelles font appel à des modèles d'écoulement approximés. Cela permet l'identification d'un sous-ensemble de réalisations représentant la variabilité de l'ensemble initial. Le modèle complexe d'écoulement est alors évalué uniquement pour ce sousensemble, et, sur la base de ces réponses complexes, l'inférence est faite. Notre objectif est d'améliorer la performance de cette approche en utilisant toute l'information à disposition. Pour cela, le sous-ensemble de réponses approximées et exactes est utilisé afin de construire un modèle d'erreur, qui sert ensuite à corriger le reste des réponses approximées et prédire la réponse du modèle complexe. Cette méthode permet de maximiser l'utilisation de l'information à disposition sans augmentation perceptible du temps de calcul. La propagation de l'incertitude est alors plus précise et plus robuste. La stratégie explorée dans le premier chapitre consiste à apprendre d'un sous-ensemble de réalisations la relation entre les modèles d'écoulement approximé et complexe. Dans la seconde partie de la thèse, cette méthodologie est formalisée mathématiquement en introduisant un modèle de régression entre les réponses fonctionnelles. Comme ce problème est mal posé, il est nécessaire d'en réduire la dimensionnalité. Dans cette optique, l'innovation du travail présenté provient de l'utilisation de l'analyse en composantes principales fonctionnelles (ACPF), qui non seulement effectue la réduction de dimensionnalités tout en maximisant l'information retenue, mais permet aussi de diagnostiquer la qualité du modèle d'erreur dans cet espace fonctionnel. La méthodologie proposée est appliquée à un problème de pollution par une phase liquide nonaqueuse et les résultats obtenus montrent que le modèle d'erreur permet une forte réduction du temps de calcul tout en estimant correctement l'incertitude. De plus, pour chaque réponse approximée, une prédiction de la réponse complexe est fournie par le modèle d'erreur. Le concept de modèle d'erreur fonctionnel est donc pertinent pour la propagation de l'incertitude, mais aussi pour les problèmes d'inférence bayésienne. Les méthodes de Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC) sont les algorithmes les plus communément utilisés afin de générer des réalisations géostatistiques en accord avec les observations. Cependant, ces méthodes souffrent d'un taux d'acceptation très bas pour les problèmes de grande dimensionnalité, résultant en un grand nombre de simulations d'écoulement gaspillées. Une approche en deux temps, le "MCMC en deux étapes", a été introduite afin d'éviter les simulations du modèle complexe inutiles par une évaluation préliminaire de la réalisation. Dans la troisième partie de la thèse, le modèle d'écoulement approximé couplé à un modèle d'erreur sert d'évaluation préliminaire pour le "MCMC en deux étapes". Nous démontrons une augmentation du taux d'acceptation par un facteur de 1.5 à 3 en comparaison avec une implémentation classique de MCMC. Une question reste sans réponse : comment choisir la taille de l'ensemble d'entrainement et comment identifier les réalisations permettant d'optimiser la construction du modèle d'erreur. Cela requiert une stratégie itérative afin que, à chaque nouvelle simulation d'écoulement, le modèle d'erreur soit amélioré en incorporant les nouvelles informations. Ceci est développé dans la quatrième partie de la thèse, oú cette méthodologie est appliquée à un problème d'intrusion saline dans un aquifère côtier. -- Our consumption of groundwater, in particular as drinking water and for irrigation, has considerably increased over the years and groundwater is becoming an increasingly scarce and endangered resource. Nofadays, we are facing many problems ranging from water prospection to sustainable management and remediation of polluted aquifers. Independently of the hydrogeological problem, the main challenge remains dealing with the incomplete knofledge of the underground properties. Stochastic approaches have been developed to represent this uncertainty by considering multiple geological scenarios and generating a large number of realizations. The main limitation of this approach is the computational cost associated with performing complex of simulations in each realization. In the first part of the thesis, we explore this issue in the context of uncertainty propagation, where an ensemble of geostatistical realizations is identified as representative of the subsurface uncertainty. To propagate this lack of knofledge to the quantity of interest (e.g., the concentration of pollutant in extracted water), it is necessary to evaluate the of response of each realization. Due to computational constraints, state-of-the-art methods make use of approximate of simulation, to identify a subset of realizations that represents the variability of the ensemble. The complex and computationally heavy of model is then run for this subset based on which inference is made. Our objective is to increase the performance of this approach by using all of the available information and not solely the subset of exact responses. Two error models are proposed to correct the approximate responses follofing a machine learning approach. For the subset identified by a classical approach (here the distance kernel method) both the approximate and the exact responses are knofn. This information is used to construct an error model and correct the ensemble of approximate responses to predict the "expected" responses of the exact model. The proposed methodology makes use of all the available information without perceptible additional computational costs and leads to an increase in accuracy and robustness of the uncertainty propagation. The strategy explored in the first chapter consists in learning from a subset of realizations the relationship between proxy and exact curves. In the second part of this thesis, the strategy is formalized in a rigorous mathematical framework by defining a regression model between functions. As this problem is ill-posed, it is necessary to reduce its dimensionality. The novelty of the work comes from the use of functional principal component analysis (FPCA), which not only performs the dimensionality reduction while maximizing the retained information, but also allofs a diagnostic of the quality of the error model in the functional space. The proposed methodology is applied to a pollution problem by a non-aqueous phase-liquid. The error model allofs a strong reduction of the computational cost while providing a good estimate of the uncertainty. The individual correction of the proxy response by the error model leads to an excellent prediction of the exact response, opening the door to many applications. The concept of functional error model is useful not only in the context of uncertainty propagation, but also, and maybe even more so, to perform Bayesian inference. Monte Carlo Markov Chain (MCMC) algorithms are the most common choice to ensure that the generated realizations are sampled in accordance with the observations. Hofever, this approach suffers from lof acceptance rate in high dimensional problems, resulting in a large number of wasted of simulations. This led to the introduction of two-stage MCMC, where the computational cost is decreased by avoiding unnecessary simulation of the exact of thanks to a preliminary evaluation of the proposal. In the third part of the thesis, a proxy is coupled to an error model to provide an approximate response for the two-stage MCMC set-up. We demonstrate an increase in acceptance rate by a factor three with respect to one-stage MCMC results. An open question remains: hof do we choose the size of the learning set and identify the realizations to optimize the construction of the error model. This requires devising an iterative strategy to construct the error model, such that, as new of simulations are performed, the error model is iteratively improved by incorporating the new information. This is discussed in the fourth part of the thesis, in which we apply this methodology to a problem of saline intrusion in a coastal aquifer.

A Dependency Parsing Approach to Biomedical Text Mining

Biomedical research is currently facing a new type of challenge: an excess of information, both in terms of raw data from experiments and in the number of scientific publications describing their results. Mirroring the focus on data mining techniques to address the issues of structured data, there has recently been great interest in the development and application of text mining techniques to make more effective use of the knowledge contained in biomedical scientific publications, accessible only in the form of natural human language. This thesis describes research done in the broader scope of projects aiming to develop methods, tools and techniques for text mining tasks in general and for the biomedical domain in particular. The work described here involves more specifically the goal of extracting information from statements concerning relations of biomedical entities, such as protein-protein interactions. The approach taken is one using full parsing—syntactic analysis of the entire structure of sentences—and machine learning, aiming to develop reliable methods that can further be generalized to apply also to other domains. The five papers at the core of this thesis describe research on a number of distinct but related topics in text mining. In the first of these studies, we assessed the applicability of two popular general English parsers to biomedical text mining and, finding their performance limited, identified several specific challenges to accurate parsing of domain text. In a follow-up study focusing on parsing issues related to specialized domain terminology, we evaluated three lexical adaptation methods. We found that the accurate resolution of unknown words can considerably improve parsing performance and introduced a domain-adapted parser that reduced the error rate of theoriginal by 10% while also roughly halving parsing time. To establish the relative merits of parsers that differ in the applied formalisms and the representation given to their syntactic analyses, we have also developed evaluation methodology, considering different approaches to establishing comparable dependency-based evaluation results. We introduced a methodology for creating highly accurate conversions between different parse representations, demonstrating the feasibility of unification of idiverse syntactic schemes under a shared, application-oriented representation. In addition to allowing formalism-neutral evaluation, we argue that such unification can also increase the value of parsers for domain text mining. As a further step in this direction, we analysed the characteristics of publicly available biomedical corpora annotated for protein-protein interactions and created tools for converting them into a shared form, thus contributing also to the unification of text mining resources. The introduced unified corpora allowed us to perform a task-oriented comparative evaluation of biomedical text mining corpora. This evaluation established clear limits on the comparability of results for text mining methods evaluated on different resources, prompting further efforts toward standardization. To support this and other research, we have also designed and annotated BioInfer, the first domain corpus of its size combining annotation of syntax and biomedical entities with a detailed annotation of their relationships. The corpus represents a major design and development effort of the research group, with manual annotation that identifies over 6000 entities, 2500 relationships and 28,000 syntactic dependencies in 1100 sentences. In addition to combining these key annotations for a single set of sentences, BioInfer was also the first domain resource to introduce a representation of entity relations that is supported by ontologies and able to capture complex, structured relationships. Part I of this thesis presents a summary of this research in the broader context of a text mining system, and Part II contains reprints of the five included publications.

A Hierarchical Approach for Multi-task Logistic Regression

Peer-reviewed

Opinion Mining

In this thesis we study the field of opinion mining by giving a comprehensive review of the available research that has been done in this topic. Also using this available knowledge we present a case study of a multilevel opinion mining system for a student organization's sales management system. We describe the field of opinion mining by discussing its historical roots, its motivations and applications as well as the different scientific approaches that have been used to solve this challenging problem of mining opinions. To deal with this huge subfield of natural language processing, we first give an abstraction of the problem of opinion mining and describe the theoretical frameworks that are available for dealing with appraisal language. Then we discuss the relation between opinion mining and computational linguistics which is a crucial pre-processing step for the accuracy of the subsequent steps of opinion mining. The second part of our thesis deals with the semantics of opinions where we describe the different ways used to collect lists of opinion words as well as the methods and techniques available for extracting knowledge from opinions present in unstructured textual data. In the part about collecting lists of opinion words we describe manual, semi manual and automatic ways to do so and give a review of the available lists that are used as gold standards in opinion mining research. For the methods and techniques of opinion mining we divide the task into three levels that are the document, sentence and feature level. The techniques that are presented in the document and sentence level are divided into supervised and unsupervised approaches that are used to determine the subjectivity and polarity of texts and sentences at these levels of analysis. At the feature level we give a description of the techniques available for finding the opinion targets, the polarity of the opinions about these opinion targets and the opinion holders. Also at the feature level we discuss the various ways to summarize and visualize the results of this level of analysis. In the third part of our thesis we present a case study of a sales management system that uses free form text and that can benefit from an opinion mining system. Using the knowledge gathered in the review of this field we provide a theoretical multi level opinion mining system (MLOM) that can perform most of the tasks needed from an opinion mining system. Based on the previous research we give some hints that many of the laborious market research tasks that are done by the sales force, which uses this sales management system, can improve their insight about their partners and by that increase the quality of their sales services and their overall results.

Alternative Techniques of Neural Signal Processing in Neuroengineering

Neural signal processing is a discipline within neuroengineering. This interdisciplinary approach combines principles from machine learning, signal processing theory, and computational neuroscience applied to problems in basic and clinical neuroscience. The ultimate goal of neuroengineering is a technological revolution, where machines would interact in real time with the brain. Machines and brains could interface, enabling normal function in cases of injury or disease, brain monitoring, and/or medical rehabilitation of brain disorders. Much current research in neuroengineering is focused on understanding the coding and processing of information in the sensory and motor systems, quantifying how this processing is altered in the pathological state, and how it can be manipulated through interactions with artificial devices including brain–computer interfaces and neuroprosthetics.

Feature selection using Fuzzy Entropy measures with Yu's Similarity measure

In this study, feature selection in classification based problems is highlighted. The role of feature selection methods is to select important features by discarding redundant and irrelevant features in the data set, we investigated this case by using fuzzy entropy measures. We developed fuzzy entropy based feature selection method using Yu's similarity and test this using similarity classifier. As the similarity classifier we used Yu's similarity, we tested our similarity on the real world data set which is dermatological data set. By performing feature selection based on fuzzy entropy measures before classification on our data set the empirical results were very promising, the highest classification accuracy of 98.83% was achieved when testing our similarity measure to the data set. The achieved results were then compared with some other results previously obtained using different similarity classifiers, the obtained results show better accuracy than the one achieved before. The used methods helped to reduce the dimensionality of the used data set, to speed up the computation time of a learning algorithm and therefore have simplified the classification task

A Bayesian Approach for Forecasting Heat Load in a District Heating System

The growing population in cities increases the energy demand and affects the environment by increasing carbon emissions. Information and communications technology solutions which enable energy optimization are needed to address this growing energy demand in cities and to reduce carbon emissions. District heating systems optimize the energy production by reusing waste energy with combined heat and power plants. Forecasting the heat load demand in residential buildings assists in optimizing energy production and consumption in a district heating system. However, the presence of a large number of factors such as weather forecast, district heating operational parameters and user behavioural parameters, make heat load forecasting a challenging task. This thesis proposes a probabilistic machine learning model using a Naive Bayes classifier, to forecast the hourly heat load demand for three residential buildings in the city of Skellefteå, Sweden over a period of winter and spring seasons. The district heating data collected from the sensors equipped at the residential buildings in Skellefteå, is utilized to build the Bayesian network to forecast the heat load demand for horizons of 1, 2, 3, 6 and 24 hours. The proposed model is validated by using four cases to study the influence of various parameters on the heat load forecast by carrying out trace driven analysis in Weka and GeNIe. Results show that current heat load consumption and outdoor temperature forecast are the two parameters with most influence on the heat load forecast. The proposed model achieves average accuracies of 81.23 % and 76.74 % for a forecast horizon of 1 hour in the three buildings for winter and spring seasons respectively. The model also achieves an average accuracy of 77.97 % for three buildings across both seasons for the forecast horizon of 1 hour by utilizing only 10 % of the training data. The results indicate that even a simple model like Naive Bayes classifier can forecast the heat load demand by utilizing less training data.

Tekoälyn hyödyntäminen liiketoiminnassa: IBM Watson

Tämän kandidaatintyön tavoitteena on käsitellä tekoälyjärjestelmien käyttöä liiketoiminnassa. Tekoälyä on tutkittu pitkään, mutta sen soveltaminen liiketoimintaan on suhteellisen uutta. Työssä esitellään IBM Watson Analytics- tekoälyjärjestelmän käyttöä. Tämän esittelyn kautta on tarkoitus näyttää, kuinka helposti tekoälyjärjestelmät todellisuudessa ovat hyödynnettävissä. Kirjallisuudesta löytyvien esimerkkien kautta työssä esitellään, minkälaisia järjestelmiä tällä hetkellä käytetään, ja millaisiin tarkoituksiin ne on luotu. Tekoälyjärjestelmien monimuotoisuuden vuoksi niitä käytetäänkin laajalti erilaisiin sovelluksiin. Kirjallisuudesta huomataan, että tekoälyjärjestelmät koostuvat usein monesta eri tavasta toteuttaa tekoälyä. Kirjallisuuden ja tekoälyn toteutuksen teorian pohjalta huomataan myös, että tekoälyjärjestelmät toimivat useimmiten erilaisissa päätöksentekoa tukevissa tai helpottavissa tehtävissä. Työssä esitetään myös IBM Watson Analyticsin ja avoimen datan avulla, kuinka helposti tekoälyjärjestelmiä pystytään hyödyntämään. Työssä näytetään tämän esimerkin kautta, miten ja minkä tyyppistä liiketoimintaa tukevaa informaatiota tekoälyjärjestelmä pystyy helposti tuottamaan.

Feature Selection and Classification Using Age Layered Population Structure Genetic Programming

The curse of dimensionality is a major problem in the fields of machine learning, data mining and knowledge discovery. Exhaustive search for the most optimal subset of relevant features from a high dimensional dataset is NP hard. Sub–optimal population based stochastic algorithms such as GP and GA are good choices for searching through large search spaces, and are usually more feasible than exhaustive and deterministic search algorithms. On the other hand, population based stochastic algorithms often suffer from premature convergence on mediocre sub–optimal solutions. The Age Layered Population Structure (ALPS) is a novel metaheuristic for overcoming the problem of premature convergence in evolutionary algorithms, and for improving search in the fitness landscape. The ALPS paradigm uses an age–measure to control breeding and competition between individuals in the population. This thesis uses a modification of the ALPS GP strategy called Feature Selection ALPS (FSALPS) for feature subset selection and classification of varied supervised learning tasks. FSALPS uses a novel frequency count system to rank features in the GP population based on evolved feature frequencies. The ranked features are translated into probabilities, which are used to control evolutionary processes such as terminal–symbol selection for the construction of GP trees/sub-trees. The FSALPS metaheuristic continuously refines the feature subset selection process whiles simultaneously evolving efficient classifiers through a non–converging evolutionary process that favors selection of features with high discrimination of class labels. We investigated and compared the performance of canonical GP, ALPS and FSALPS on high–dimensional benchmark classification datasets, including a hyperspectral image. Using Tukey’s HSD ANOVA test at a 95% confidence interval, ALPS and FSALPS dominated canonical GP in evolving smaller but efficient trees with less bloat expressions. FSALPS significantly outperformed canonical GP and ALPS and some reported feature selection strategies in related literature on dimensionality reduction.

Feature Selection and Classification Using Age Layered Population Structure Genetic Programming

The curse of dimensionality is a major problem in the fields of machine learning, data mining and knowledge discovery. Exhaustive search for the most optimal subset of relevant features from a high dimensional dataset is NP hard. Sub–optimal population based stochastic algorithms such as GP and GA are good choices for searching through large search spaces, and are usually more feasible than exhaustive and determinis- tic search algorithms. On the other hand, population based stochastic algorithms often suffer from premature convergence on mediocre sub–optimal solutions. The Age Layered Population Structure (ALPS) is a novel meta–heuristic for overcoming the problem of premature convergence in evolutionary algorithms, and for improving search in the fitness landscape. The ALPS paradigm uses an age–measure to control breeding and competition between individuals in the population. This thesis uses a modification of the ALPS GP strategy called Feature Selection ALPS (FSALPS) for feature subset selection and classification of varied supervised learning tasks. FSALPS uses a novel frequency count system to rank features in the GP population based on evolved feature frequencies. The ranked features are translated into probabilities, which are used to control evolutionary processes such as terminal–symbol selection for the construction of GP trees/sub-trees. The FSALPS meta–heuristic continuously refines the feature subset selection process whiles simultaneously evolving efficient classifiers through a non–converging evolutionary process that favors selection of features with high discrimination of class labels. We investigated and compared the performance of canonical GP, ALPS and FSALPS on high–dimensional benchmark classification datasets, including a hyperspectral image. Using Tukey’s HSD ANOVA test at a 95% confidence interval, ALPS and FSALPS dominated canonical GP in evolving smaller but efficient trees with less bloat expressions. FSALPS significantly outperformed canonical GP and ALPS and some reported feature selection strategies in related literature on dimensionality reduction.

In silico analysis of mitochondrial proteins

Le rôle important joué par la mitochondrie dans la cellule eucaryote est admis depuis longtemps. Cependant, la composition exacte des mitochondries, ainsi que les processus biologiques qui sy déroulent restent encore largement inconnus. Deux facteurs principaux permettent dexpliquer pourquoi létude des mitochondries progresse si lentement : le manque defficacité des méthodes didentification des protéines mitochondriales et le manque de précision dans lannotation de ces protéines. En conséquence, nous avons développé un nouvel outil informatique, YimLoc, qui permet de prédire avec succès les protéines mitochondriales à partir des séquences génomiques. Cet outil intègre plusieurs indicateurs existants, et sa performance est supérieure à celle des indicateurs considérés individuellement. Nous avons analysé environ 60 génomes fongiques avec YimLoc afin de lever la controverse concernant la localisation de la bêta-oxydation dans ces organismes. Contrairement à ce qui était généralement admis, nos résultats montrent que la plupart des groupes de Fungi possèdent une bêta-oxydation mitochondriale. Ce travail met également en évidence la diversité des processus de bêta-oxydation chez les champignons, en corrélation avec leur utilisation des acides gras comme source dénergie et de carbone. De plus, nous avons étudié le composant clef de la voie de bêta-oxydation mitochondriale, lacyl-CoA déshydrogénase (ACAD), dans 250 espèces, couvrant les 3 domaines de la vie, en combinant la prédiction de la localisation subcellulaire avec la classification en sous-familles et linférence phylogénétique. Notre étude suggère que les gènes ACAD font partie dune ancienne famille qui a adopté des stratégies évolutionnaires innovatrices afin de générer un large ensemble denzymes susceptibles dutiliser la plupart des acides gras et des acides aminés. Finalement, afin de permettre la prédiction de protéines mitochondriales à partir de données autres que les séquences génomiques, nous avons développé le logiciel TESTLoc qui utilise comme données des Expressed Sequence Tags (ESTs). La performance de TESTLoc est significativement supérieure à celle de tout autre outil de prédiction connu. En plus de fournir deux nouveaux outils de prédiction de la localisation subcellulaire utilisant différents types de données, nos travaux démontrent comment lassociation de la prédiction de la localisation subcellulaire à dautres méthodes danalyse in silico permet daméliorer la connaissance des protéines mitochondriales. De plus, ces travaux proposent des hypothèses claires et faciles à vérifier par des expériences, ce qui présente un grand potentiel pour faire progresser nos connaissances des métabolismes mitochondriaux.

Échantillonnage dynamique de champs markoviens

L'un des modèles d'apprentissage non-supervisé générant le plus de recherche active est la machine de Boltzmann --- en particulier la machine de Boltzmann restreinte, ou RBM. Un aspect important de l'entraînement ainsi que l'exploitation d'un tel modèle est la prise d'échantillons. Deux développements récents, la divergence contrastive persistante rapide (FPCD) et le herding, visent à améliorer cet aspect, se concentrant principalement sur le processus d'apprentissage en tant que tel. Notamment, le herding renonce à obtenir un estimé précis des paramètres de la RBM, définissant plutôt une distribution par un système dynamique guidé par les exemples d'entraînement. Nous généralisons ces idées afin d'obtenir des algorithmes permettant d'exploiter la distribution de probabilités définie par une RBM pré-entraînée, par tirage d'échantillons qui en sont représentatifs, et ce sans que l'ensemble d'entraînement ne soit nécessaire. Nous présentons trois méthodes: la pénalisation d'échantillon (basée sur une intuition théorique) ainsi que la FPCD et le herding utilisant des statistiques constantes pour la phase positive. Ces méthodes définissent des systèmes dynamiques produisant des échantillons ayant les statistiques voulues et nous les évaluons à l'aide d'une méthode d'estimation de densité non-paramétrique. Nous montrons que ces méthodes mixent substantiellement mieux que la méthode conventionnelle, l'échantillonnage de Gibbs.

Non-negative matrix decomposition approaches to frequency domain analysis of music audio signals

On étudie l’application des algorithmes de décomposition matricielles tel que la Factorisation Matricielle Non-négative (FMN), aux représentations fréquentielles de signaux audio musicaux. Ces algorithmes, dirigés par une fonction d’erreur de reconstruction, apprennent un ensemble de fonctions de base et un ensemble de coef- ficients correspondants qui approximent le signal d’entrée. On compare l’utilisation de trois fonctions d’erreur de reconstruction quand la FMN est appliquée à des gammes monophoniques et harmonisées: moindre carré, divergence Kullback-Leibler, et une mesure de divergence dépendente de la phase, introduite récemment. Des nouvelles méthodes pour interpréter les décompositions résultantes sont présentées et sont comparées aux méthodes utilisées précédemment qui nécessitent des connaissances du domaine acoustique. Finalement, on analyse la capacité de généralisation des fonctions de bases apprises par rapport à trois paramètres musicaux: l’amplitude, la durée et le type d’instrument. Pour ce faire, on introduit deux algorithmes d’étiquetage des fonctions de bases qui performent mieux que l’approche précédente dans la majorité de nos tests, la tâche d’instrument avec audio monophonique étant la seule exception importante.

Modèle informatique du coapprentissage des ganglions de la base et du cortex : l'apprentissage par renforcement et le développement de représentations

Tout au long de la vie, le cerveau développe des représentations de son environnement permettant à l’individu d’en tirer meilleur profit. Comment ces représentations se développent-elles pendant la quête de récompenses demeure un mystère. Il est raisonnable de penser que le cortex est le siège de ces représentations et que les ganglions de la base jouent un rôle important dans la maximisation des récompenses. En particulier, les neurones dopaminergiques semblent coder un signal d’erreur de prédiction de récompense. Cette thèse étudie le problème en construisant, à l’aide de l’apprentissage machine, un modèle informatique intégrant de nombreuses évidences neurologiques. Après une introduction au cadre mathématique et à quelques algorithmes de l’apprentissage machine, un survol de l’apprentissage en psychologie et en neuroscience et une revue des modèles de l’apprentissage dans les ganglions de la base, la thèse comporte trois articles. Le premier montre qu’il est possible d’apprendre à maximiser ses récompenses tout en développant de meilleures représentations des entrées. Le second article porte sur l'important problème toujours non résolu de la représentation du temps. Il démontre qu’une représentation du temps peut être acquise automatiquement dans un réseau de neurones artificiels faisant office de mémoire de travail. La représentation développée par le modèle ressemble beaucoup à l’activité de neurones corticaux dans des tâches similaires. De plus, le modèle montre que l’utilisation du signal d’erreur de récompense peut accélérer la construction de ces représentations temporelles. Finalement, il montre qu’une telle représentation acquise automatiquement dans le cortex peut fournir l’information nécessaire aux ganglions de la base pour expliquer le signal dopaminergique. Enfin, le troisième article évalue le pouvoir explicatif et prédictif du modèle sur différentes situations comme la présence ou l’absence d’un stimulus (conditionnement classique ou de trace) pendant l’attente de la récompense. En plus de faire des prédictions très intéressantes en lien avec la littérature sur les intervalles de temps, l’article révèle certaines lacunes du modèle qui devront être améliorées. Bref, cette thèse étend les modèles actuels de l’apprentissage des ganglions de la base et du système dopaminergique au développement concurrent de représentations temporelles dans le cortex et aux interactions de ces deux structures.