Victoria BOURGEAIS soutient sa thèse de doctorat le vendredi 14 octobre 2022: « Interprétation de l’apprentissage profond pour la prédiction de phénotypes à partir de données d’expression de gènes »

L’apprentissage profond est une avancée majeure de l’intelligence artificielle de ces dernières années. Ses domaines de prédilection sont principalement l’analyse d’image et le traitement du langage naturel. Un des futurs enjeux majeurs de cette approche est son application à la médecine de précision. Cette nouvelle forme de médecine permettra de personnaliser chaque étape du parcours de soin d’un patient en fonction de ses caractéristiques, notamment moléculaires telles que les données d’expression de gènes qui informent de l’état cellulaire d’un patient. Les modèles d’apprentissage profond sont néanmoins considérés comme des boîtes noires où aucune explication n’est fournie à la prédiction calculée. L’Union Européenne a adopté récemment un texte imposant aux algorithmes d’apprentissage automatique d’être capables d’expliquer leurs décisions aux utilisateurs. Il y a donc un réel besoin de rendre les réseaux de neurones plus interprétables et cela est particulièrement vrai dans le domaine médical pour différentes raisons. D’une part, il faut s’assurer que le modèle se base sur des représentations fiables des patients et ne se concentre pas sur des artefacts non pertinents présents dans les données d’apprentissage. D’autre part, un réseau de neurones performant pour la prédiction d’un certain phénotype peut avoir identifié une signature dans les données qui pourrait ouvrir sur de nouvelles pistes de recherche.

Dans l’état de l’art actuel, il existe deux approches pour interpréter les réseaux neurones : en créant des modèles qui sont par essence interprétables, ou en ayant recours a posteriori à une méthode tierce dédiée à l’interprétation du réseau de neurones déjà appris. Quelle que soit la méthode choisie, l’explication fournie consiste généralement en l’identification des variables d’entrée et des neurones importants pour la prédiction. Or, dans le cas d’une application sur les données d’expression de gènes, cela n’est pas suffisant, car ces données sont difficilement compréhensibles par l’homme.

Nous proposons ainsi trois nouvelles méthodes originales d’apprentissage profond, interprétables par construction. L’architecture de ces méthodes est définie à partir d’une ou plusieurs bases de connaissances. Un neurone y représente un objet biologique et les connexions entre les neurones correspondent aux relations entre les objets biologiques. Ces méthodes ont été évaluées sur des tâches de diagnostic à partir de jeux de données d’expression de gènes réelles et ont montré leur compétitivité par rapport aux méthodes d’apprentissage automatique de l’état de l’art. Nos modèles fournissent des explications intelligibles composées des neurones les plus importants et des concepts biologiques qui leur sont associés. Cette caractéristique permet aux experts d’utiliser nos outils dans un cadre médical.