L'entraînement sans surveillance efficace et inférence dans les modèles génératifs profonds reste un problème difficile. Une approche assez simple, la machine de Helmholtz, consiste à entraîner du haut vers le bas un modèle génératif dirigé qui sera utilisé plus tard pour l'inférence approximative. Des résultats récents suggèrent que de meilleurs modèles génératifs peuvent être obtenus par de meilleures procédures d'inférence approximatives. Au lieu d'améliorer la procédure d'inférence, nous proposons ici un nouveau modèle, la machine de Helmholtz bidirectionnelle, qui garantit qu'on peut calculer efficacement les distributions de haut-vers-bas et de bas-vers-haut. Nous y parvenons en interprétant à les modèles haut-vers-bas et bas-vers-haut en tant que distributions d'inférence approximative, puis ensuite en définissant la distribution du modèle comme étant la moyenne géométrique de ces deux distributions. Nous dérivons une borne inférieure pour la vraisemblance de ce modèle, et nous démontrons que l'optimisation de cette borne se comporte en régulisateur. Ce régularisateur sera tel que la distance de Bhattacharyya sera minisée entre les distributions approximatives haut-vers-bas et bas-vers-haut. Cette approche produit des résultats de pointe en terme de modèles génératifs qui favorisent les réseaux significativement plus profonds. Elle permet aussi une inférence approximative amérliorée par plusieurs ordres de grandeur. De plus, nous introduisons un modèle génératif profond basé sur les modèles BiHM pour l'entraînement semi-supervisé. / Efficient unsupervised training and inference in deep generative models remains a challenging problem. One basic approach, called Helmholtz machine, involves training a top-down directed generative model together with a bottom-up auxiliary model used for approximate inference. Recent results indicate that better generative models can be obtained with better approximate inference procedures. Instead of improving the inference procedure, we here propose a new model, the bidirectional Helmholtz machine, which guarantees that the top-down and bottom-up distributions can efficiently invert each other. We achieve this by interpreting both the top-down and the bottom-up directed models as approximate inference distributions and by defining the model distribution to be the geometric mean of these two. We present a lower-bound for the likelihood of this model and we show that optimizing this bound regularizes the model so that the Bhattacharyya distance between the bottom-up and top-down approximate distributions is minimized. This approach results in state of the art generative models which prefer significantly deeper architectures while it allows for orders of magnitude more efficient approximate inference. Moreover, we introduce a deep generative model for semi-supervised learning problems based on BiHM models.

Aujourd’hui, les modèles computationnels de l'apprentissage et de la prise de décision chez l'homme se sont raffinés et complexifiés pour prendre la forme de modèles génératifs des données psychophysiologiques de plus en plus réalistes d’un point de vue neurobiologique et biophysique. Dans le même temps, le nouveau champ de recherche des interfaces cerveau-machine (ICM) s’est développé de manière exponentielle. L'objectif principal de cette thèse était d'explorer comment le paradigme de l'électrophysiologie temps-réel peut contribuer à élucider les processus d'apprentissage et de prise de décision perceptive chez l’homme. Au niveau expérimental, j'ai étudié les décisions perceptives somatosensorielles grâce à des tâches de discrimination de fréquence tactile. En particulier, j'ai montré comment un contexte sensoriel implicite peut influencer nos décisions. Grâce à la magnétoencéphalographie (MEG), j'ai pu étudier les mécanismes neuronaux qui sous-tendent cette adaptation perceptive. L’ensemble de ces résultats renforce l'hypothèse de la construction implicite d’un a priori ou d'une référence interne au cours de l'expérience. Aux niveaux théoriques et méthodologiques, j'ai proposé une vue générique de la façon dont l'électrophysiologie temps-réel pourrait être utilisée pour optimiser les tests d'hypothèses, en adaptant le dessin expérimental en ligne. J'ai pu fournir une première validation de cette démarche adaptative pour maximiser l'efficacité du dessin expérimental au niveau individuel. Ce travail révèle des perspectives en neurosciences fondamentales et cliniques ainsi que pour les ICM / Today, psychological as well as physiological models of perceptual learning and decision-making processes have recently become more biologically plausible, leading to more realistic (and more complex) generative models of psychophysiological observations. In parallel, the young but exponentially growing field of Brain-Computer Interfaces (BCI) provides new tools and methods to analyze (mostly) electrophysiological data online. The main objective of this PhD thesis was to explore how the BCI paradigm could help for a better understanding of perceptual learning and decision making processes in humans. At the empirical level, I studied decisions based on tactile stimuli, namely somatosensory frequency discrimination. More specifically, I showed how an implicit sensory context biases our decisions. Using magnetoencephalography (MEG), I was able to decipher some of the neural correlates of those perceptual adaptive mechanisms. These findings support the hypothesis that an internal perceptual-reference builds up along the course of the experiment. At the theoretical and methodological levels, I propose a generic view and method of how real-time electrophysiology could be used to optimize hypothesis testing, by adapting the experimental design online. I demonstrated the validity of this online adaptive design optimization (ADO) approach to maximize design efficiency at the individual level. I also discussed the implications of this work for basic and clinical neuroscience as well as BCI itself

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Les réseaux de neurones profonds sont la pierre angulaire des systèmes à la fine pointe de la technologie pour une vaste gamme de tâches, comme la reconnaissance d'objets, la modélisation du langage et la traduction automatique. Mis à part le progrès important établi dans les architectures et les procédures de formation des réseaux de neurones profonds, deux facteurs ont été la clé du succès remarquable de l'apprentissage profond : la disponibilité de grandes quantités de données étiquetées et la puissance de calcul massive. Cette thèse par articles apporte plusieurs contributions à l'avancement de l'apprentissage profond, en particulier dans les problèmes avec très peu ou pas de données étiquetées, ou avec des ressources informatiques limitées. Le premier article aborde la question de la rareté des données dans les systèmes de recommandation, en apprenant les représentations distribuées des produits à partir des commentaires d'évaluation de produits en langage naturel. Plus précisément, nous proposons un cadre d'apprentissage multitâches dans lequel nous utilisons des méthodes basées sur les réseaux de neurones pour apprendre les représentations de produits à partir de textes de critiques de produits et de données d'évaluation. Nous démontrons que la méthode proposée peut améliorer la généralisation dans les systèmes de recommandation et atteindre une performance de pointe sur l'ensemble de données Amazon Reviews. Le deuxième article s'attaque aux défis computationnels qui existent dans l'entraînement des réseaux de neurones profonds à grande échelle. Nous proposons une nouvelle architecture de réseaux de neurones conditionnels permettant d'attribuer la capacité du réseau de façon adaptative, et donc des calculs, dans les différentes régions des entrées. Nous démontrons l'efficacité de notre modèle sur les tâches de reconnaissance visuelle où les objets d'intérêt sont localisés à la couche d'entrée, tout en maintenant une surcharge de calcul beaucoup plus faible que les architectures standards des réseaux de neurones. Le troisième article contribue au domaine de l'apprentissage non supervisé, avec l'aide du paradigme des réseaux antagoniste génératifs. Nous introduisons un cadre fléxible pour l'entraînement des réseaux antagonistes génératifs, qui non seulement assure que le générateur estime la véritable distribution des données, mais permet également au discriminateur de conserver l'information sur la densité des données à l'optimum global. Nous validons notre cadre empiriquement en montrant que le discriminateur est capable de récupérer l'énergie de la distribution des données et d'obtenir une qualité d'échantillons à la fine pointe de la technologie. Enfin, dans le quatrième article, nous nous attaquons au problème de l'apprentissage non supervisé à travers différents domaines. Nous proposons un modèle qui permet d'apprendre des transformations plusieurs à plusieurs à travers deux domaines, et ce, à partir des données non appariées. Nous validons notre approche sur plusieurs ensembles de données se rapportant à l'imagerie, et nous montrons que notre méthode peut être appliquée efficacement dans des situations d'apprentissage semi-supervisé. / Deep neural networks are the cornerstone of state-of-the-art systems for a wide range of tasks, including object recognition, language modelling and machine translation. In the last decade, research in the field of deep learning has led to numerous key advances in designing novel architectures and training algorithms for neural networks. However, most success stories in deep learning heavily relied on two main factors: the availability of large amounts of labelled data and massive computational resources. This thesis by articles makes several contributions to advancing deep learning, specifically in problems with limited or no labelled data, or with constrained computational resources. The first article addresses sparsity of labelled data that emerges in the application field of recommender systems. We propose a multi-task learning framework that leverages natural language reviews in improving recommendation. Specifically, we apply neural-network-based methods for learning representations of products from review text, while learning from rating data. We demonstrate that the proposed method can achieve state-of-the-art performance on the Amazon Reviews dataset. The second article tackles computational challenges in training large-scale deep neural networks. We propose a conditional computation network architecture which can adaptively assign its capacity, and hence computations, across different regions of the input. We demonstrate the effectiveness of our model on visual recognition tasks where objects are spatially localized within the input, while maintaining much lower computational overhead than standard network architectures. The third article contributes to the domain of unsupervised learning with the generative adversarial networks paradigm. We introduce a flexible adversarial training framework, in which not only the generator converges to the true data distribution, but also the discriminator recovers the relative density of the data at the optimum. We validate our framework empirically by showing that the discriminator is able to accurately estimate the true energy of data while obtaining state-of-the-art quality of samples. Finally, in the fourth article, we address the problem of unsupervised domain translation. We propose a model which can learn flexible, many-to-many mappings across domains from unpaired data. We validate our approach on several image datasets, and we show that it can be effectively applied in semi-supervised learning settings.

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L'utilisation d'architectures neuronales profondes associée à des innovations spécifiques telles que les méthodes adversarielles, l’entraînement préalable sur de grands ensembles de données et l'estimation de l'information mutuelle a permis, ces dernières années, de progresser rapidement dans de nombreuses tâches de vision par ordinateur complexes telles que la classification d'images de catégories préalablement inconnues (apprentissage zéro-coups), la génération de scènes ou la classification multimodale. Malgré ces progrès, il n’est pas certain que les méthodes actuelles d’apprentissage de représentations suffiront à atteindre une performance équivalente au niveau humain sur des tâches visuelles arbitraires et, de fait, cela pose des questions quant à la direction de la recherche future. Dans cette thèse, nous nous concentrerons sur deux aspects des représentations qui semblent nécessaires pour atteindre de bonnes performances en aval pour l'apprentissage des représentations : la localité et la compositionalité. La localité peut être comprise comme la capacité d'une représentation à retenir des informations locales. Ceci sera pertinent dans de nombreux cas, et bénéficiera particulièrement à la vision informatique, domaine dans lequel les images naturelles comportent intrinsèquement des informations locales, par exemple des parties pertinentes d’une image, des objets multiples présents dans une scène... D'autre part, une représentation compositionnelle peut être comprise comme une représentation qui résulte d'une combinaison de parties plus simples. Les réseaux neuronaux convolutionnels sont intrinsèquement compositionnels, et de nombreuses images complexes peuvent être considérées comme la composition de sous-composantes pertinentes : les objets et attributs individuels dans une scène, les attributs sémantiques dans l'apprentissage zéro-coups en sont deux exemples. Nous pensons que ces deux propriétés détiennent la clé pour concevoir de meilleures méthodes d'apprentissage de représentations. Dans cette thèse, nous présentons trois articles traitant de la localité et/ou de la compositionnalité, et de leur application à l'apprentissage de représentations pour des tâches visuelles complexes. Dans le premier article, nous introduisons des méthodes de mesure de la localité et de la compositionnalité pour les représentations d'images, et nous démontrons que les représentations locales et compositionnelles sont plus performantes dans l'apprentissage zéro-coups. Nous utilisons également ces deux notions comme base pour concevoir un nouvel algorithme d'apprentissage des représentations qui atteint des performances de pointe dans notre cadre expérimental, une variante de l'apprentissage "zéro-coups" plus difficile où les informations externes, par exemple un pré-entraînement sur d'autres ensembles de données d'images, ne sont pas autorisées. Dans le deuxième article, nous montrons qu'en encourageant un générateur à conserver des informations locales au niveau de l'objet, à l'aide d'un module dit de similarité de graphes de scène, nous pouvons améliorer les performances de génération de scènes. Ce modèle met également en évidence l'importance de la composition, car de nombreux composants fonctionnent individuellement sur chaque objet présent. Pour démontrer pleinement la portée de notre approche, nous effectuons une analyse détaillée et proposons un nouveau cadre pour évaluer les modèles de génération de scènes. Enfin, dans le troisième article, nous montrons qu'en encourageant une forte information mutuelle entre les représentations multimodales locales et globales des images médicales en 2D et 3D, nous pouvons améliorer la classification et la segmentation des images. Ce cadre général peut être appliqué à une grande variété de contextes et démontre les avantages non seulement de la localité, mais aussi de la compositionnalité, car les représentations multimodales sont combinées pour obtenir une représentation plus générale. / The use of deep neural architectures coupled with specific innovations such as adversarial methods, pre-training on large datasets and mutual information estimation has in recent years allowed rapid progress in many complex vision tasks such as zero-shot learning, scene generation, or multi-modal classification. Despite such progress, it is still not clear if current representation learning methods will be enough to attain human-level performance on arbitrary visual tasks, and if not, what direction should future research take. In this thesis, we will focus on two aspects of representations that seem necessary to achieve good downstream performance for representation learning: locality and compositionality. Locality can be understood as a representation's ability to retain local information. This will be relevant in many cases, and will specifically benefit computer vision where natural images inherently feature local information, i.e. relevant patches of an image, multiple objects present in a scene... On the other hand, a compositional representation can be understood as one that arises from a combination of simpler parts. Convolutional neural networks are inherently compositional, and many complex images can be seen as composition of relevant sub-components: individual objects and attributes in a scene, semantic attributes in zero-shot learning are two examples. We believe both properties hold the key to designing better representation learning methods. In this thesis, we present 3 articles dealing with locality and/or compositionality, and their application to representation learning for complex visual tasks. In the first article, we introduce ways of measuring locality and compositionality for image representations, and demonstrate that local and compositional representations perform better at zero-shot learning. We also use these two notions as the basis for designing class-matching deep info-max, a novel representation learning algorithm that achieves state-of-the-art performance on our proposed "Zero-shot from scratch" setting, a harder zero-shot setting where external information, e.g. pre-training on other image datasets is not allowed. In the second article, we show that by encouraging a generator to retain local object-level information, using a scene-graph similarity module, we can improve scene generation performance. This model also showcases the importance of compositionality as many components operate individually on each object present. To fully demonstrate the reach of our approach, we perform detailed analysis, and propose a new framework to evaluate scene generation models. Finally, in the third article, we show that encouraging high mutual information between local and global multi-modal representations of 2D and 3D medical images can lead to improvements in image classification and segmentation. This general framework can be applied to a wide variety of settings, and demonstrates the benefits of not only locality, but also of compositionality as multi-modal representations are combined to obtain a more general one.

Cette thèse fait des petits pas dans la construction et la compréhension des systèmes d'apprentissage des représentations neuronales et des modèles génératifs pour le traitement du langage naturel. Il est présenté comme une thèse par article qui contient quatre travaux. Dans le premier article, nous montrons que l'apprentissage multi-tâches peut être utilisé pour combiner les biais inductifs de plusieurs tâches d'apprentissage auto-supervisées et supervisées pour apprendre des représentations de phrases distribuées de longueur fixe à usage général qui obtiennent des résultats solides sur les tâches d'apprentissage par transfert en aval sans tout modèle de réglage fin. Le deuxième article s'appuie sur le premier et présente un modèle génératif en deux étapes pour le texte qui modélise la distribution des représentations de phrases pour produire de nouveaux plongements de phrases qui servent de "contour neuronal" de haut niveau qui est reconstruit en mots avec un récurrent neuronal autorégressif conditionnel décodeur. Le troisième article étudie la nécessité de représentations démêlées pour la génération de texte contrôlable. Une grande partie des systèmes de génération de texte contrôlables reposent sur l'idée que le contrôle d'un attribut (ou d'un style) particulier nécessite la construction de représentations dissociées qui séparent le contenu et le style. Nous démontrons que les représentations produites dans des travaux antérieurs qui utilisent la formation contradictoire du domaine ne sont pas dissociées dans la pratique. Nous présentons ensuite une approche qui ne vise pas à apprendre des représentations démêlées et montrons qu'elle permet d'obtenir des résultats nettement meilleurs que les travaux antérieurs. Dans le quatrième article, nous concevons des modèles de langage de transformateur qui apprennent les représentations à plusieurs échelles de temps et montrent que ceux-ci peuvent aider à réduire l'empreinte mémoire importante de ces modèles. Il présente trois architectures multi-échelles différentes qui présentent des compromis favorables entre la perplexité et l'empreinte mémoire. / This thesis takes baby steps in building and understanding neural representation learning systems and generative models for natural language processing. It is presented as a thesis by article that contains four pieces of work. In the first article, we show that multi-task learning can be used to combine the inductive biases of several self-supervised and supervised learning tasks to learn general-purpose fixed-length distributed sentence representations that achieve strong results on downstream transfer learning tasks without any model fine-tuning. The second article builds on the first and presents a two-step generative model for text that models the distribution of sentence representations to produce novel sentence embeddings that serves as a high level ``neural outline'' that is reconstructed to words with a conditional autoregressive RNN decoder. The third article studies the necessity of disentangled representations for controllable text generation. A large fraction of controllable text generation systems rely on the idea that control over a particular attribute (or style) requires building disentangled representations that separate content and style. We demonstrate that representations produced in previous work that uses domain adversarial training are not disentangled in practice. We then present an approach that does not aim to learn disentangled representations and show that it achieves significantly better results than prior work. In the fourth article, we design transformer language models that learn representations at multiple time scales and show that these can help address the large memory footprint these models typically have. It presents three different multi-scale architectures that exhibit favorable perplexity vs memory footprint trade-offs.