Data surveillance for infectious diseases: models, complex networks and machine learning

In this thesis, we investigate the role of applied physics in epidemiological surveillance through the application of mathematical models, network science and machine learning. The spread of a communicable disease depends on many biological, social, and health factors. The large masses of data available make it possible, on the one hand, to monitor the evolution and spread of pathogenic organisms; on the other hand, to study the behavior of people, their opinions and habits. Presented here are three lines of research in which an attempt was made to solve real epidemiological problems through data analysis and the use of statistical and mathematical models. In Chapter 1, we applied language-inspired Deep Learning models to transform influenza protein sequences into vectors encoding their information content. We then attempted to reconstruct the antigenic properties of different viral strains using regression models and to identify the mutations responsible for vaccine escape. In Chapter 2, we constructed a compartmental model to describe the spread of a bacterium within a hospital ward. The model was informed and validated on time series of clinical measurements, and a sensitivity analysis was used to assess the impact of different control measures. Finally (Chapter 3) we reconstructed the network of retweets among COVID-19 themed Twitter users in the early months of the SARS-CoV-2 pandemic. By means of community detection algorithms and centrality measures, we characterized users’ attention shifts in the network, showing that scientific communities, initially the most retweeted, lost influence over time to national political communities. In the Conclusion, we highlighted the importance of the work done in light of the main contemporary challenges for epidemiological surveillance. In particular, we present reflections on the importance of nowcasting and forecasting, the relationship between data and scientific research, and the need to unite the different scales of epidemiological surveillance.

Developing a radiomic based machine learning model to identify patients with resected non-small-cell lung cancer at high risk of relapse

Background There is a wide variation of recurrence risk of Non-small-cell lung cancer (NSCLC) within the same Tumor Node Metastasis (TNM) stage, suggesting that other parameters are involved in determining this probability. Radiomics allows extraction of quantitative information from images that can be used for clinical purposes. The primary objective of this study is to develop a radiomic prognostic model that predicts a 3 year disease free-survival (DFS) of resected Early Stage (ES) NSCLC patients. Material and Methods 56 pre-surgery non contrast Computed Tomography (CT) scans were retrieved from the PACS of our institution and anonymized. Then they were automatically segmented with an open access deep learning pipeline and reviewed by an experienced radiologist to obtain 3D masks of the NSCLC. Images and masks underwent to resampling normalization and discretization. From the masks hundreds Radiomic Features (RF) were extracted using Py-Radiomics. Hence, RF were reduced to select the most representative features. The remaining RF were used in combination with Clinical parameters to build a DFS prediction model using Leave-one-out cross-validation (LOOCV) with Random Forest. Results and Conclusion A poor agreement between the radiologist and the automatic segmentation algorithm (DICE score of 0.37) was found. Therefore, another experienced radiologist manually segmented the lesions and only stable and reproducible RF were kept. 50 RF demonstrated a high correlation with the DFS but only one was confirmed when clinicopathological covariates were added: Busyness a Neighbouring Gray Tone Difference Matrix (HR 9.610). 16 clinical variables (which comprised TNM) were used to build the LOOCV model demonstrating a higher Area Under the Curve (AUC) when RF were included in the analysis (0.67 vs 0.60) but the difference was not statistically significant (p=0,5147).

Machine learning "as a service" for high energy physics (MLaaS4HEP): evolution of a framework for ML-based physics analyses

The scientific success of the LHC experiments at CERN highly depends on the availability of computing resources which efficiently store, process, and analyse the amount of data collected every year. This is ensured by the Worldwide LHC Computing Grid infrastructure that connect computing centres distributed all over the world with high performance network. LHC has an ambitious experimental program for the coming years, which includes large investments and improvements both for the hardware of the detectors and for the software and computing systems, in order to deal with the huge increase in the event rate expected from the High Luminosity LHC (HL-LHC) phase and consequently with the huge amount of data that will be produced. Since few years the role of Artificial Intelligence has become relevant in the High Energy Physics (HEP) world. Machine Learning (ML) and Deep Learning algorithms have been successfully used in many areas of HEP, like online and offline reconstruction programs, detector simulation, object reconstruction, identification, Monte Carlo generation, and surely they will be crucial in the HL-LHC phase. This thesis aims at contributing to a CMS R&D project, regarding a ML "as a Service" solution for HEP needs (MLaaS4HEP). It consists in a data-service able to perform an entire ML pipeline (in terms of reading data, processing data, training ML models, serving predictions) in a completely model-agnostic fashion, directly using ROOT files of arbitrary size from local or distributed data sources. This framework has been updated adding new features in the data preprocessing phase, allowing more flexibility to the user. Since the MLaaS4HEP framework is experiment agnostic, the ATLAS Higgs Boson ML challenge has been chosen as physics use case, with the aim to test MLaaS4HEP and the contribution done with this work.

Texting and Driving: rilevazione di utilizzo dello smartphone alla guida tramite Object Detection e Machine Learning

Questa tesi si ispira a lavori precedentemente portati avanti da altri studenti e si pone il problema della possibilit\`a di riconoscere se uno smartphone \`e utilizzato da un utente mentre esso si trova alla guida di un'autovettura. In essa verranno presentati vari metodi per risolvere questo problema di Machine Learning, ovvero realizzazione di dataset per l'allenamento di modelli e creazione e allenamento di modelli stessi, dediti al riconoscimento di un problema di classificazione binaria e riconoscimento di oggetti tramite Object Detection. Il cercare di riconoscere se l'utente \`e alla guida o meno, avverr\`a tramite l'output della fotocamera frontale dello smartphone, quindi lavoreremo su immagini, video e frame. Arriveremo a riconoscere la posizione della persona rappresentata da questi fotogrammi tramite un modello di Object Detection, che riconosce cintura e finestrino e determina se sono appartenenti al sedile e alla posizione del conducente o del passeggero. Vedremo alla fine, attraverso un'attenta analisi dei risultati ottenuti su ben 8 video diversi che saranno divisi in molti frame, che si ottengono risultati molto interessanti, dai quali si pu\`o prendere spunto per la creazione di un importante sistema di sicurezza alla guida.

Autonomous Pricing using Policy-Gradient Reinforcement Learning

Nella letteratura economica e di teoria dei giochi vi è un dibattito aperto sulla possibilità di emergenza di comportamenti anticompetitivi da parte di algoritmi di determinazione automatica dei prezzi di mercato. L'obiettivo di questa tesi è sviluppare un modello di reinforcement learning di tipo actor-critic con entropy regularization per impostare i prezzi in un gioco dinamico di competizione oligopolistica con prezzi continui. Il modello che propongo esibisce in modo coerente comportamenti cooperativi supportati da meccanismi di punizione che scoraggiano la deviazione dall'equilibrio raggiunto a convergenza. Il comportamento di questo modello durante l'apprendimento e a convergenza avvenuta aiuta inoltre a interpretare le azioni compiute da Q-learning tabellare e altri algoritmi di prezzo in condizioni simili. I risultati sono robusti alla variazione del numero di agenti in competizione e al tipo di deviazione dall'equilibrio ottenuto a convergenza, punendo anche deviazioni a prezzi più alti.

Sviluppo di un sistema di climatizzazione automatico distribuito con l'utilizzo di tecniche di machine learning

Nella sede dell’azienda ospitante Alexide, si è ravvisata la mancanza di un sistema di controllo automatico da remoto dell’intero impianto di climatizzazione HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) utilizzato, e la soluzione migliore è risultata quella di attuare un processo di trasformazione della struttura in uno smart building. Ho quindi eseguito questa procedura di trasformazione digitale progettando e sviluppando un sistema distribuito in grado di gestire una serie di dati provenienti in tempo reale da sensori ambientali. L’architettura del sistema progettato è stata sviluppata in C# su ambiente dotNET, dove sono stati collezionati i dati necessari per il funzionamento del modello di predizione. Nella fattispecie sono stati utilizzati i dati provenienti dall’HVAC, da un sensore di temperatura interna dell'edificio e dal fotovoltaico installato nella struttura. La comunicazione tra il sistema distribuito e l’entità dell’HVAC avviene mediante il canale di comunicazione ModBus, mentre per quanto riguarda i dati della temperatura interna e del fotovoltaico questi vengono collezionati da sensori che inviano le informazioni sfruttando un canale di comunicazione che utilizza il protocollo MQTT, e lo stesso viene utilizzato come principale metodo di comunicazione all’interno del sistema, appoggiandosi ad un broker di messaggistica con modello publish/subscribe. L'automatizzazione del sistema è dovuta anche all'utilizzo di un modello di predizione con lo scopo di predire in maniera quanto più accurata possibile la temperatura interna all'edificio delle ore future. Per quanto riguarda il modello di predizione da me implementato e integrato nel sistema la scelta è stata quella di ispirarmi ad un modello ideato da Google nel 2014 ovvero il Sequence to Sequence. Il modello sviluppato si struttura come un encoder-decoder che utilizza le RNN, in particolare le reti LSTM.

Continual learning on nano drones

Miniaturized flying robotic platforms, called nano-drones, have the potential to revolutionize the autonomous robots industry sector thanks to their very small form factor. The nano-drones’ limited payload only allows for a sub-100mW microcontroller unit for the on-board computations. Therefore, traditional computer vision and control algorithms are too computationally expensive to be executed on board these palm-sized robots, and we are forced to rely on artificial intelligence to trade off accuracy in favor of lightweight pipelines for autonomous tasks. However, relying on deep learning exposes us to the problem of generalization since the deployment scenario of a convolutional neural network (CNN) is often composed by different visual cues and different features from those learned during training, leading to poor inference performances. Our objective is to develop and deploy and adaptation algorithm, based on the concept of latent replays, that would allow us to fine-tune a CNN to work in new and diverse deployment scenarios. To do so we start from an existing model for visual human pose estimation, called PULPFrontnet, which is used to identify the pose of a human subject in space through its 4 output variables, and we present the design of our novel adaptation algorithm, which features automatic data gathering and labeling and on-device deployment. We therefore showcase the ability of our algorithm to adapt PULP-Frontnet to new deployment scenarios, improving the R2 scores of the four network outputs, with respect to an unknown environment, from approximately [−0.2, 0.4, 0.0,−0.7] to [0.25, 0.45, 0.2, 0.1]. Finally we demonstrate how it is possible to fine-tune our neural network in real time (i.e., under 76 seconds), using the target parallel ultra-low power GAP 8 System-on-Chip on board the nano-drone, and we show how all adaptation operations can take place using less than 2mWh of energy, a small fraction of the available battery power.

Clonació del gen de l'envolta de vih en el plàsmid pnl Δenv-Ren per la obtenció de recombinants

Estudi elaborat a partir d’una estada al Laboratori de Inmunopatología del SIDA del Dr Alcamí a l’Instituto de Salud Carlos III-Centro Nacional de Microbiologia, entre finals de desembre de 2006 i març de 2007. L’objectiu ha estat millorar la caracterització de l’envolta del VIH-1 mitjançant l’obtenció de virus recombinants, ja que això permet estudiar l’envolta viral tant genètica com fenotípicament. En aquest cas, s’ha estudiat l'envolta viral dels pacients sotmesos a vacunació terapèutica amb cèl•lules dendrítiques polsades amb virus autòlegs. Durant aquesta estada es realitza un aprenentatge profund de les tècniques adequades per a l'amplificació i clonatge del gen complet de l'envolta del VIH-1 (env), així com de l’obtenció de virus recombinants amb l’envolta del pacient i els corresponents assaigs de tropisme viral i neutralització sèrica. Aquesta metodologia empra el virus quimèric pNL4.3 delta_env Renilla, construït a partir del virus de referència NL4.3 i que té dues característiques importants: la primera és que conté un gen marcador Renilla, que a l’interior de les cèl•lules infectades té activitat luciferasa. La utilització del virus pNL4.3 delta_env Renilla en assaigs de neutralització presenta diversos avantatges front altres assaigs més convencionals, tant a nivell de sensibilitat i especificitat com d’estalvi de temps.

Pretraining Convolutional Neural Networks for Visual Recognition

Convolutional Neural Networks (CNN) have become the state-of-the-art methods on many large scale visual recognition tasks. For a lot of practical applications, CNN architectures have a restrictive requirement: A huge amount of labeled data are needed for training. The idea of generative pretraining is to obtain initial weights of the network by training the network in a completely unsupervised way and then fine-tune the weights for the task at hand using supervised learning. In this thesis, a general introduction to Deep Neural Networks and algorithms are given and these methods are applied to classification tasks of handwritten digits and natural images for developing unsupervised feature learning. The goal of this thesis is to find out if the effect of pretraining is damped by recent practical advances in optimization and regularization of CNN. The experimental results show that pretraining is still a substantial regularizer, however, not a necessary step in training Convolutional Neural Networks with rectified activations. On handwritten digits, the proposed pretraining model achieved a classification accuracy comparable to the state-of-the-art methods.

Étude de techniques d'apprentissage non-supervisé pour l'amélioration de l'entraînement supervisé de modèles connexionnistes

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Apprentissage de représentations musicales à l'aide d'architectures profondes et multiéchelles

L'apprentissage machine (AM) est un outil important dans le domaine de la recherche d'information musicale (Music Information Retrieval ou MIR). De nombreuses tâches de MIR peuvent être résolues en entraînant un classifieur sur un ensemble de caractéristiques. Pour les tâches de MIR se basant sur l'audio musical, il est possible d'extraire de l'audio les caractéristiques pertinentes à l'aide de méthodes traitement de signal. Toutefois, certains aspects musicaux sont difficiles à extraire à l'aide de simples heuristiques. Afin d'obtenir des caractéristiques plus riches, il est possible d'utiliser l'AM pour apprendre une représentation musicale à partir de l'audio. Ces caractéristiques apprises permettent souvent d'améliorer la performance sur une tâche de MIR donnée. Afin d'apprendre des représentations musicales intéressantes, il est important de considérer les aspects particuliers à l'audio musical dans la conception des modèles d'apprentissage. Vu la structure temporelle et spectrale de l'audio musical, les représentations profondes et multiéchelles sont particulièrement bien conçues pour représenter la musique. Cette thèse porte sur l'apprentissage de représentations de l'audio musical. Des modèles profonds et multiéchelles améliorant l'état de l'art pour des tâches telles que la reconnaissance d'instrument, la reconnaissance de genre et l'étiquetage automatique y sont présentés.

Algorithmes d'apprentissage pour la recommandation

L'ère numérique dans laquelle nous sommes entrés apporte une quantité importante de nouveaux défis à relever dans une multitude de domaines. Le traitement automatique de l'abondante information à notre disposition est l'un de ces défis, et nous allons ici nous pencher sur des méthodes et techniques adaptées au filtrage et à la recommandation à l'utilisateur d'articles adaptés à ses goûts, dans le contexte particulier et sans précédent notable du jeu vidéo multi-joueurs en ligne. Notre objectif est de prédire l'appréciation des niveaux par les joueurs. Au moyen d'algorithmes d'apprentissage machine modernes tels que les réseaux de neurones profonds avec pré-entrainement non-supervisé, que nous décrivons après une introduction aux concepts nécessaires à leur bonne compréhension, nous proposons deux architectures aux caractéristiques différentes bien que basées sur ce même concept d'apprentissage profond. La première est un réseau de neurones multi-couches pour lequel nous tentons d'expliquer les performances variables que nous rapportons sur les expériences menées pour diverses variations de profondeur, d'heuristique d'entraînement, et des méthodes de pré-entraînement non-supervisé simple, débruitant et contractant. Pour la seconde architecture, nous nous inspirons des modèles à énergie et proposons de même une explication des résultats obtenus, variables eux aussi. Enfin, nous décrivons une première tentative fructueuse d'amélioration de cette seconde architecture au moyen d'un fine-tuning supervisé succédant le pré-entrainement, puis une seconde tentative où ce fine-tuning est fait au moyen d'un critère d'entraînement semi-supervisé multi-tâches. Nos expériences montrent des performances prometteuses, notament avec l'architecture inspirée des modèles à énergie, justifiant du moins l'utilisation d'algorithmes d'apprentissage profonds pour résoudre le problème de la recommandation.

Recognition of Facial Expressions with Autoencoders and Convolutional-Nets

Les humains communiquent via différents types de canaux: les mots, la voix, les gestes du corps, des émotions, etc. Pour cette raison, un ordinateur doit percevoir ces divers canaux de communication pour pouvoir interagir intelligemment avec les humains, par exemple en faisant usage de microphones et de webcams. Dans cette thèse, nous nous intéressons à déterminer les émotions humaines à partir d’images ou de vidéo de visages afin d’ensuite utiliser ces informations dans différents domaines d’applications. Ce mémoire débute par une brève introduction à l'apprentissage machine en s’attardant aux modèles et algorithmes que nous avons utilisés tels que les perceptrons multicouches, réseaux de neurones à convolution et autoencodeurs. Elle présente ensuite les résultats de l'application de ces modèles sur plusieurs ensembles de données d'expressions et émotions faciales. Nous nous concentrons sur l'étude des différents types d’autoencodeurs (autoencodeur débruitant, autoencodeur contractant, etc) afin de révéler certaines de leurs limitations, comme la possibilité d'obtenir de la coadaptation entre les filtres ou encore d’obtenir une courbe spectrale trop lisse, et étudions de nouvelles idées pour répondre à ces problèmes. Nous proposons également une nouvelle approche pour surmonter une limite des autoencodeurs traditionnellement entrainés de façon purement non-supervisée, c'est-à-dire sans utiliser aucune connaissance de la tâche que nous voulons finalement résoudre (comme la prévision des étiquettes de classe) en développant un nouveau critère d'apprentissage semi-supervisé qui exploite un faible nombre de données étiquetées en combinaison avec une grande quantité de données non-étiquetées afin d'apprendre une représentation adaptée à la tâche de classification, et d'obtenir une meilleure performance de classification. Finalement, nous décrivons le fonctionnement général de notre système de détection d'émotions et proposons de nouvelles idées pouvant mener à de futurs travaux.

Improving sampling, optimization and feature extraction in Boltzmann machines

L’apprentissage supervisé de réseaux hiérarchiques à grande échelle connaît présentement un succès fulgurant. Malgré cette effervescence, l’apprentissage non-supervisé représente toujours, selon plusieurs chercheurs, un élément clé de l’Intelligence Artificielle, où les agents doivent apprendre à partir d’un nombre potentiellement limité de données. Cette thèse s’inscrit dans cette pensée et aborde divers sujets de recherche liés au problème d’estimation de densité par l’entremise des machines de Boltzmann (BM), modèles graphiques probabilistes au coeur de l’apprentissage profond. Nos contributions touchent les domaines de l’échantillonnage, l’estimation de fonctions de partition, l’optimisation ainsi que l’apprentissage de représentations invariantes. Cette thèse débute par l’exposition d’un nouvel algorithme d'échantillonnage adaptatif, qui ajuste (de fa ̧con automatique) la température des chaînes de Markov sous simulation, afin de maintenir une vitesse de convergence élevée tout au long de l’apprentissage. Lorsqu’utilisé dans le contexte de l’apprentissage par maximum de vraisemblance stochastique (SML), notre algorithme engendre une robustesse accrue face à la sélection du taux d’apprentissage, ainsi qu’une meilleure vitesse de convergence. Nos résultats sont présent ́es dans le domaine des BMs, mais la méthode est générale et applicable à l’apprentissage de tout modèle probabiliste exploitant l’échantillonnage par chaînes de Markov. Tandis que le gradient du maximum de vraisemblance peut-être approximé par échantillonnage, l’évaluation de la log-vraisemblance nécessite un estimé de la fonction de partition. Contrairement aux approches traditionnelles qui considèrent un modèle donné comme une boîte noire, nous proposons plutôt d’exploiter la dynamique de l’apprentissage en estimant les changements successifs de log-partition encourus à chaque mise à jour des paramètres. Le problème d’estimation est reformulé comme un problème d’inférence similaire au filtre de Kalman, mais sur un graphe bi-dimensionnel, où les dimensions correspondent aux axes du temps et au paramètre de température. Sur le thème de l’optimisation, nous présentons également un algorithme permettant d’appliquer, de manière efficace, le gradient naturel à des machines de Boltzmann comportant des milliers d’unités. Jusqu’à présent, son adoption était limitée par son haut coût computationel ainsi que sa demande en mémoire. Notre algorithme, Metric-Free Natural Gradient (MFNG), permet d’éviter le calcul explicite de la matrice d’information de Fisher (et son inverse) en exploitant un solveur linéaire combiné à un produit matrice-vecteur efficace. L’algorithme est prometteur: en terme du nombre d’évaluations de fonctions, MFNG converge plus rapidement que SML. Son implémentation demeure malheureusement inefficace en temps de calcul. Ces travaux explorent également les mécanismes sous-jacents à l’apprentissage de représentations invariantes. À cette fin, nous utilisons la famille de machines de Boltzmann restreintes “spike & slab” (ssRBM), que nous modifions afin de pouvoir modéliser des distributions binaires et parcimonieuses. Les variables latentes binaires de la ssRBM peuvent être rendues invariantes à un sous-espace vectoriel, en associant à chacune d’elles, un vecteur de variables latentes continues (dénommées “slabs”). Ceci se traduit par une invariance accrue au niveau de la représentation et un meilleur taux de classification lorsque peu de données étiquetées sont disponibles. Nous terminons cette thèse sur un sujet ambitieux: l’apprentissage de représentations pouvant séparer les facteurs de variations présents dans le signal d’entrée. Nous proposons une solution à base de ssRBM bilinéaire (avec deux groupes de facteurs latents) et formulons le problème comme l’un de “pooling” dans des sous-espaces vectoriels complémentaires.

Leveraging noisy side information for disentangling of factors of variation in a supervised setting

Ce mémoire est composé de trois articles et présente les résultats de travaux de recherche effectués dans le but d'améliorer les techniques actuelles permettant d'utiliser des données associées à certaines tâches dans le but d'aider à l'entraînement de réseaux de neurones sur une tâche différente. Les deux premiers articles présentent de nouveaux ensembles de données créés pour permettre une meilleure évaluation de ce type de techniques d'apprentissage machine. Le premier article introduit une suite d'ensembles de données pour la tâche de reconnaissance automatique de chiffres écrits à la main. Ces ensembles de données ont été générés à partir d'un ensemble de données déjà existant, MNIST, auquel des nouveaux facteurs de variation ont été ajoutés. Le deuxième article introduit un ensemble de données pour la tâche de reconnaissance automatique d'expressions faciales. Cet ensemble de données est composé d'images de visages qui ont été collectées automatiquement à partir du Web et ensuite étiquetées. Le troisième et dernier article présente deux nouvelles approches, dans le contexte de l'apprentissage multi-tâches, pour tirer avantage de données pour une tâche donnée afin d'améliorer les performances d'un modèle sur une tâche différente. La première approche est une généralisation des neurones Maxout récemment proposées alors que la deuxième consiste en l'application dans un contexte supervisé d'une technique permettant d'inciter des neurones à apprendre des fonctions orthogonales, à l'origine proposée pour utilisation dans un contexte semi-supervisé.