Robust input representations for low-resource information extraction

Recent advances in the field of natural language processing were achieved with deep learning models. This led to a wide range of new research questions concerning the stability of such large-scale systems and their applicability beyond well-studied tasks and datasets, such as information extraction in non-standard domains and languages, in particular, in low-resource environments. In this work, we address these challenges and make important contributions across fields such as representation learning and transfer learning by proposing novel model architectures and training strategies to overcome existing limitations, including a lack of training resources, domain mismatches and language barriers. In particular, we propose solutions to close the domain gap between representation models by, e.g., domain-adaptive pre-training or our novel meta-embedding architecture for creating a joint representations of multiple embedding methods. Our broad set of experiments demonstrates state-of-the-art performance of our methods for various sequence tagging and classification tasks and highlight their robustness in challenging low-resource settings across languages and domains.Die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Verarbeitung natürlicher Sprache wurden mit Deep-Learning-Modellen erzielt. Dies führte zu einer Vielzahl neuer Forschungsfragen bezüglich der Stabilität solcher großen Systeme und ihrer Anwendbarkeit über gut untersuchte Aufgaben und Datensätze hinaus, wie z. B. die Informationsextraktion für Nicht-Standardsprachen, aber auch Textdomänen und Aufgaben, für die selbst im Englischen nur wenige Trainingsdaten zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit gehen wir auf diese Herausforderungen ein und leisten wichtige Beiträge in Bereichen wie Repräsentationslernen und Transferlernen, indem wir neuartige Modellarchitekturen und Trainingsstrategien vorschlagen, um bestehende Beschränkungen zu überwinden, darunter fehlende Trainingsressourcen, ungesehene Domänen und Sprachbarrieren. Insbesondere schlagen wir Lösungen vor, um die Domänenlücke zwischen Repräsentationsmodellen zu schließen, z.B. durch domänenadaptives Vortrainieren oder unsere neuartige Meta-Embedding-Architektur zur Erstellung einer gemeinsamen Repräsentation mehrerer Embeddingmethoden. Unsere umfassende Evaluierung demonstriert die Leistungsfähigkeit unserer Methoden für verschiedene Klassifizierungsaufgaben auf Word und Satzebene und unterstreicht ihre Robustheit in anspruchsvollen, ressourcenarmen Umgebungen in verschiedenen Sprachen und Domänen

Data-efficient methods for information extraction

Strukturierte Wissensrepräsentationssysteme wie Wissensdatenbanken oder Wissensgraphen bieten Einblicke in Entitäten und Beziehungen zwischen diesen Entitäten in der realen Welt. Solche Wissensrepräsentationssysteme können in verschiedenen Anwendungen der natürlichen Sprachverarbeitung eingesetzt werden, z. B. bei der semantischen Suche, der Beantwortung von Fragen und der Textzusammenfassung. Es ist nicht praktikabel und ineffizient, diese Wissensrepräsentationssysteme manuell zu befüllen. In dieser Arbeit entwickeln wir Methoden, um automatisch benannte Entitäten und Beziehungen zwischen den Entitäten aus Klartext zu extrahieren. Unsere Methoden können daher verwendet werden, um entweder die bestehenden unvollständigen Wissensrepräsentationssysteme zu vervollständigen oder ein neues strukturiertes Wissensrepräsentationssystem von Grund auf zu erstellen. Im Gegensatz zu den gängigen überwachten Methoden zur Informationsextraktion konzentrieren sich unsere Methoden auf das Szenario mit wenigen Daten und erfordern keine große Menge an kommentierten Daten. Im ersten Teil der Arbeit haben wir uns auf das Problem der Erkennung von benannten Entitäten konzentriert. Wir haben an der gemeinsamen Aufgabe von Bacteria Biotope 2019 teilgenommen. Die gemeinsame Aufgabe besteht darin, biomedizinische Entitätserwähnungen zu erkennen und zu normalisieren. Unser linguistically informed Named-Entity-Recognition-System besteht aus einem Deep-Learning-basierten Modell, das sowohl verschachtelte als auch flache Entitäten extrahieren kann; unser Modell verwendet mehrere linguistische Merkmale und zusätzliche Trainingsziele, um effizientes Lernen in datenarmen Szenarien zu ermöglichen. Unser System zur Entitätsnormalisierung verwendet String-Match, Fuzzy-Suche und semantische Suche, um die extrahierten benannten Entitäten mit den biomedizinischen Datenbanken zu verknüpfen. Unser System zur Erkennung von benannten Entitäten und zur Entitätsnormalisierung erreichte die niedrigste Slot-Fehlerrate von 0,715 und belegte den ersten Platz in der gemeinsamen Aufgabe. Wir haben auch an zwei gemeinsamen Aufgaben teilgenommen: Adverse Drug Effect Span Detection (Englisch) und Profession Span Detection (Spanisch); beide Aufgaben sammeln Daten von der Social Media Plattform Twitter. Wir haben ein Named-Entity-Recognition-Modell entwickelt, das die Eingabedarstellung des Modells durch das Stapeln heterogener Einbettungen aus verschiedenen Domänen verbessern kann; unsere empirischen Ergebnisse zeigen komplementäres Lernen aus diesen heterogenen Einbettungen. Unser Beitrag belegte den 3. Platz in den beiden gemeinsamen Aufgaben. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchten wir Strategien zur Erweiterung synthetischer Daten, um ressourcenarme Informationsextraktion in spezialisierten Domänen zu ermöglichen. Insbesondere haben wir backtranslation an die Aufgabe der Erkennung von benannten Entitäten auf Token-Ebene und der Extraktion von Beziehungen auf Satzebene angepasst. Wir zeigen, dass die Rückübersetzung sprachlich vielfältige und grammatikalisch kohärente synthetische Sätze erzeugen kann und als wettbewerbsfähige Erweiterungsstrategie für die Aufgaben der Erkennung von benannten Entitäten und der Extraktion von Beziehungen dient. Bei den meisten realen Aufgaben zur Extraktion von Beziehungen stehen keine kommentierten Daten zur Verfügung, jedoch ist häufig ein großer unkommentierter Textkorpus vorhanden. Bootstrapping-Methoden zur Beziehungsextraktion können mit diesem großen Korpus arbeiten, da sie nur eine Handvoll Startinstanzen benötigen. Bootstrapping-Methoden neigen jedoch dazu, im Laufe der Zeit Rauschen zu akkumulieren (bekannt als semantische Drift), und dieses Phänomen hat einen drastischen negativen Einfluss auf die endgültige Genauigkeit der Extraktionen. Wir entwickeln zwei Methoden zur Einschränkung des Bootstrapping-Prozesses, um die semantische Drift bei der Extraktion von Beziehungen zu minimieren. Unsere Methoden nutzen die Graphentheorie und vortrainierte Sprachmodelle, um verrauschte Extraktionsmuster explizit zu identifizieren und zu entfernen. Wir berichten über die experimentellen Ergebnisse auf dem TACRED-Datensatz für vier Relationen. Im letzten Teil der Arbeit demonstrieren wir die Anwendung der Domänenanpassung auf die anspruchsvolle Aufgabe der mehrsprachigen Akronymextraktion. Unsere Experimente zeigen, dass die Domänenanpassung die Akronymextraktion in wissenschaftlichen und juristischen Bereichen in sechs Sprachen verbessern kann, darunter auch Sprachen mit geringen Ressourcen wie Persisch und Vietnamesisch.The structured knowledge representation systems such as knowledge base or knowledge graph can provide insights regarding entities and relationship(s) among these entities in the real-world, such knowledge representation systems can be employed in various natural language processing applications such as semantic search, question answering and text summarization. It is infeasible and inefficient to manually populate these knowledge representation systems. In this work, we develop methods to automatically extract named entities and relationships among the entities from plain text and hence our methods can be used to either complete the existing incomplete knowledge representation systems to create a new structured knowledge representation system from scratch. Unlike mainstream supervised methods for information extraction, our methods focus on the low-data scenario and do not require a large amount of annotated data. In the first part of the thesis, we focused on the problem of named entity recognition. We participated in the shared task of Bacteria Biotope 2019, the shared task consists of recognizing and normalizing the biomedical entity mentions. Our linguistically informed named entity recognition system consists of a deep learning based model which can extract both nested and flat entities; our model employed several linguistic features and auxiliary training objectives to enable efficient learning in data-scarce scenarios. Our entity normalization system employed string match, fuzzy search and semantic search to link the extracted named entities to the biomedical databases. Our named entity recognition and entity normalization system achieved the lowest slot error rate of 0.715 and ranked first in the shared task. We also participated in two shared tasks of Adverse Drug Effect Span detection (English) and Profession Span Detection (Spanish); both of these tasks collect data from the social media platform Twitter. We developed a named entity recognition model which can improve the input representation of the model by stacking heterogeneous embeddings from a diverse domain(s); our empirical results demonstrate complementary learning from these heterogeneous embeddings. Our submission ranked 3rd in both of the shared tasks. In the second part of the thesis, we explored synthetic data augmentation strategies to address low-resource information extraction in specialized domains. Specifically, we adapted backtranslation to the token-level task of named entity recognition and sentence-level task of relation extraction. We demonstrate that backtranslation can generate linguistically diverse and grammatically coherent synthetic sentences and serve as a competitive augmentation strategy for the task of named entity recognition and relation extraction. In most of the real-world relation extraction tasks, the annotated data is not available, however, quite often a large unannotated text corpus is available. Bootstrapping methods for relation extraction can operate on this large corpus as they only require a handful of seed instances. However, bootstrapping methods tend to accumulate noise over time (known as semantic drift) and this phenomenon has a drastic negative impact on the final precision of the extractions. We develop two methods to constrain the bootstrapping process to minimise semantic drift for relation extraction; our methods leverage graph theory and pre-trained language models to explicitly identify and remove noisy extraction patterns. We report the experimental results on the TACRED dataset for four relations. In the last part of the thesis, we demonstrate the application of domain adaptation to the challenging task of multi-lingual acronym extraction. Our experiments demonstrate that domain adaptation can improve acronym extraction within scientific and legal domains in 6 languages including low-resource languages such as Persian and Vietnamese

Pre-trained biomedical language models for clinical NLP in Spanish

This work presents the first large-scale biomedical Spanish language models trained from scratch, using large biomedical corpora consisting of a total of 1.1B tokens and an EHR corpus of 95M tokens. We compared them against general-domain and other domain-specific models for Spanish on three clinical NER tasks. As main results, our models are superior across the NER tasks, rendering them more convenient for clinical NLP applications. Furthermore, our findings indicate that when enough data is available, pre-training from scratch is better than continual pre-training when tested on clinical tasks, raising an exciting research question about which approach is optimal. Our models and fine-tuning scripts are publicly available at HuggingFace and GitHub.This work was funded by the Spanish State Secretariat for Digitalization and Artificial Intelligence (SEDIA) within the framework of the Plan-TLPeer ReviewedPostprint (published version

Event Extraction: A Survey

Extracting the reported events from text is one of the key research themes in natural language processing. This process includes several tasks such as event detection, argument extraction, role labeling. As one of the most important topics in natural language processing and natural language understanding, the applications of event extraction spans across a wide range of domains such as newswire, biomedical domain, history and humanity, and cyber security. This report presents a comprehensive survey for event detection from textual documents. In this report, we provide the task definition, the evaluation method, as well as the benchmark datasets and a taxonomy of methodologies for event extraction. We also present our vision of future research direction in event detection.Comment: 20 page

Dependency parsing of biomedical text with BERT

Abstract Background: : Syntactic analysis, or parsing, is a key task in natural language processing and a required component for many text mining approaches. In recent years, Universal Dependencies (UD) has emerged as the leading formalism for dependency parsing. While a number of recent tasks centering on UD have substantially advanced the state of the art in multilingual parsing, there has been only little study of parsing texts from specialized domains such as biomedicine. Methods: : We explore the application of state-of-the-art neural dependency parsing methods to biomedical text using the recently introduced CRAFT-SA shared task dataset. The CRAFT-SA task broadly follows the UD representation and recent UD task conventions, allowing us to fne-tune the UD-compatible Turku Neural Parser and UDify neural parsers to the task. We further evaluate the efect of transfer learning using a broad selection of BERT models, including several models pre-trained specifcally for biomedical text processing. Results: : We fnd that recently introduced neural parsing technology is capable of generating highly accurate analyses of biomedical text, substantially improving on the best performance reported in the original CRAFT-SA shared task. We also fnd that initialization using a deep transfer learning model pre-trained on in-domain texts is key to maximizing the performance of the parsing methods. Keywords: Parsing, Deep learning, CRAFT</p

On the Domain Adaptation and Generalization of Pretrained Language Models: A Survey

Recent advances in NLP are brought by a range of large-scale pretrained language models (PLMs). These PLMs have brought significant performance gains for a range of NLP tasks, circumventing the need to customize complex designs for specific tasks. However, most current work focus on finetuning PLMs on a domain-specific datasets, ignoring the fact that the domain gap can lead to overfitting and even performance drop. Therefore, it is practically important to find an appropriate method to effectively adapt PLMs to a target domain of interest. Recently, a range of methods have been proposed to achieve this purpose. Early surveys on domain adaptation are not suitable for PLMs due to the sophisticated behavior exhibited by PLMs from traditional models trained from scratch and that domain adaptation of PLMs need to be redesigned to take effect. This paper aims to provide a survey on these newly proposed methods and shed light in how to apply traditional machine learning methods to newly evolved and future technologies. By examining the issues of deploying PLMs for downstream tasks, we propose a taxonomy of domain adaptation approaches from a machine learning system view, covering methods for input augmentation, model optimization and personalization. We discuss and compare those methods and suggest promising future research directions