Proceedings of the 5th Workshop on BioNLP Open Shared Tasks

As part of the BioNLP Open Shared Tasks 2019, the CRAFT Shared Tasks 2019 provides a platform to gauge the state of the art for three fundamental language processing tasks - dependency parse construction, coreference resolution, and ontology concept identification - over full-text biomedical articles.The structural annotation task requires the automatic generation of dependency parses for each sentence of an article given only the article text. The coreference resolution task focuses on linking coreferring base noun phrase mentions into chains using the symmetrical and transitive identity relation. The ontology concept annotation task involves the identification of concept mentions within text using the classes of ten distinct ontologies in the biomedical domain, both unmodified and augmented with extension classes. This paper provides an overview of each task, including descriptions of the data provided to participants and the evaluation metrics used, and discusses participant results relative to baseline performances for each of the three tasks.</p

A Survey on Semantic Processing Techniques

Semantic processing is a fundamental research domain in computational linguistics. In the era of powerful pre-trained language models and large language models, the advancement of research in this domain appears to be decelerating. However, the study of semantics is multi-dimensional in linguistics. The research depth and breadth of computational semantic processing can be largely improved with new technologies. In this survey, we analyzed five semantic processing tasks, e.g., word sense disambiguation, anaphora resolution, named entity recognition, concept extraction, and subjectivity detection. We study relevant theoretical research in these fields, advanced methods, and downstream applications. We connect the surveyed tasks with downstream applications because this may inspire future scholars to fuse these low-level semantic processing tasks with high-level natural language processing tasks. The review of theoretical research may also inspire new tasks and technologies in the semantic processing domain. Finally, we compare the different semantic processing techniques and summarize their technical trends, application trends, and future directions.Comment: Published at Information Fusion, Volume 101, 2024, 101988, ISSN 1566-2535. The equal contribution mark is missed in the published version due to the publication policies. Please contact Prof. Erik Cambria for detail

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

Cross-Domain information extraction from scientific articles for research knowledge graphs

Today’s scholarly communication is a document-centred process and as such, rather inefficient. Fundamental contents of research papers are not accessible by computers since they are only present in unstructured PDF files. Therefore, current research infrastructures are not able to assist scientists appropriately in their core research tasks. This thesis addresses this issue and proposes methods to automatically extract relevant information from scientific articles for Research Knowledge Graphs (RKGs) that represent scholarly knowledge structured and interlinked. First, this thesis conducts a requirements analysis for an Open Research Knowledge Graph (ORKG). We present literature-related use cases of researchers that should be supported by an ORKG-based system and their specific requirements for the underlying ontology and instance data. Based on this analysis, the identified use cases are categorised into two groups: The first group of use cases needs manual or semi-automatic approaches for knowledge graph (KG) construction since they require high correctness of the instance data. The second group requires high completeness and can tolerate noisy instance data. Thus, this group needs automatic approaches for KG population. This thesis focuses on the second group of use cases and provides contributions for machine learning tasks that aim to support them. To assess the relevance of a research paper, scientists usually skim through titles, abstracts, introductions, and conclusions. An organised presentation of the articles' essential information would make this process more time-efficient. The task of sequential sentence classification addresses this issue by classifying sentences in an article in categories like research problem, used methods, or obtained results. To address this problem, we propose a novel unified cross-domain multi-task deep learning approach that makes use of datasets from different scientific domains (e.g. biomedicine and computer graphics) and varying structures (e.g. datasets covering either only abstracts or full papers). Our approach outperforms the state of the art on full paper datasets significantly while being competitive for datasets consisting of abstracts. Moreover, our approach enables the categorisation of sentences in a domain-independent manner. Furthermore, we present the novel task of domain-independent information extraction to extract scientific concepts from research papers in a domain-independent manner. This task aims to support the use cases find related work and get recommended articles. For this purpose, we introduce a set of generic scientific concepts that are relevant over ten domains in Science, Technology, and Medicine (STM) and release an annotated dataset of 110 abstracts from these domains. Since the annotation of scientific text is costly, we suggest an active learning strategy based on a state-of-the-art deep learning approach. The proposed method enables us to nearly halve the amount of required training data. Then, we extend this domain-independent information extraction approach with the task of \textit{coreference resolution}. Coreference resolution aims to identify mentions that refer to the same concept or entity. Baseline results on our corpus with current state-of-the-art approaches for coreference resolution showed that current approaches perform poorly on scientific text. Therefore, we propose a sequential transfer learning approach that exploits annotated datasets from non-academic domains. Our experimental results demonstrate that our approach noticeably outperforms the state-of-the-art baselines. Additionally, we investigate the impact of coreference resolution on KG population. We demonstrate that coreference resolution has a small impact on the number of resulting concepts in the KG, but improved its quality significantly. Consequently, using our domain-independent information extraction approach, we populate an RKG from 55,485 abstracts of the ten investigated STM domains. We show that every domain mainly uses its own terminology and that the populated RKG contains useful concepts. Moreover, we propose a novel approach for the task of \textit{citation recommendation}. This task can help researchers improve the quality of their work by finding or recommending relevant related work. Our approach exploits RKGs that interlink research papers based on mentioned scientific concepts. Using our automatically populated RKG, we demonstrate that the combination of information from RKGs with existing state-of-the-art approaches is beneficial. Finally, we conclude the thesis and sketch possible directions of future work.Die Kommunikation von Forschungsergebnissen erfolgt heutzutage in Form von Dokumenten und ist aus verschiedenen Gründen ineffizient. Wesentliche Inhalte von Forschungsarbeiten sind für Computer nicht zugänglich, da sie in unstrukturierten PDF-Dateien verborgen sind. Daher können derzeitige Forschungsinfrastrukturen Forschende bei ihren Kernaufgaben nicht angemessen unterstützen. Diese Arbeit befasst sich mit dieser Problemstellung und untersucht Methoden zur automatischen Extraktion von relevanten Informationen aus Forschungspapieren für Forschungswissensgraphen (Research Knowledge Graphs). Solche Graphen sollen wissenschaftliches Wissen maschinenlesbar strukturieren und verknüpfen. Zunächst wird eine Anforderungsanalyse für einen Open Research Knowledge Graph (ORKG) durchgeführt. Wir stellen literaturbezogene Anwendungsfälle von Forschenden vor, die durch ein ORKG-basiertes System unterstützt werden sollten, und deren spezifische Anforderungen an die zugrundeliegende Ontologie und die Instanzdaten. Darauf aufbauend werden die identifizierten Anwendungsfälle in zwei Gruppen eingeteilt: Die erste Gruppe von Anwendungsfällen benötigt manuelle oder halbautomatische Ansätze für die Konstruktion eines ORKG, da sie eine hohe Korrektheit der Instanzdaten erfordern. Die zweite Gruppe benötigt eine hohe Vollständigkeit der Instanzdaten und kann fehlerhafte Daten tolerieren. Daher erfordert diese Gruppe automatische Ansätze für die Konstruktion des ORKG. Diese Arbeit fokussiert sich auf die zweite Gruppe von Anwendungsfällen und schlägt Methoden für maschinelle Aufgabenstellungen vor, die diese Anwendungsfälle unterstützen können. Um die Relevanz eines Forschungsartikels effizient beurteilen zu können, schauen sich Forschende in der Regel die Titel, Zusammenfassungen, Einleitungen und Schlussfolgerungen an. Durch eine strukturierte Darstellung von wesentlichen Informationen des Artikels könnte dieser Prozess zeitsparender gestaltet werden. Die Aufgabenstellung der sequenziellen Satzklassifikation befasst sich mit diesem Problem, indem Sätze eines Artikels in Kategorien wie Forschungsproblem, verwendete Methoden oder erzielte Ergebnisse automatisch klassifiziert werden. In dieser Arbeit wird für diese Aufgabenstellung ein neuer vereinheitlichter Multi-Task Deep-Learning-Ansatz vorgeschlagen, der Datensätze aus verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen (z. B. Biomedizin und Computergrafik) mit unterschiedlichen Strukturen (z. B. Datensätze bestehend aus Zusammenfassungen oder vollständigen Artikeln) nutzt. Unser Ansatz übertrifft State-of-the-Art-Verfahren der Literatur auf Benchmark-Datensätzen bestehend aus vollständigen Forschungsartikeln. Außerdem ermöglicht unser Ansatz die Klassifizierung von Sätzen auf eine domänenunabhängige Weise. Darüber hinaus stellen wir die neue Aufgabenstellung domänenübergreifende Informationsextraktion vor. Hierbei werden, unabhängig vom behandelten wissenschaftlichen Fachgebiet, inhaltliche Konzepte aus Forschungspapieren extrahiert. Damit sollen die Anwendungsfälle Finden von verwandten Arbeiten und Empfehlung von Artikeln unterstützt werden. Zu diesem Zweck führen wir eine Reihe von generischen wissenschaftlichen Konzepten ein, die in zehn Bereichen der Wissenschaft, Technologie und Medizin (STM) relevant sind, und veröffentlichen einen annotierten Datensatz von 110 Zusammenfassungen aus diesen Bereichen. Da die Annotation wissenschaftlicher Texte aufwändig ist, kombinieren wir ein Active-Learning-Verfahren mit einem aktuellen Deep-Learning-Ansatz, um die notwendigen Trainingsdaten zu reduzieren. Die vorgeschlagene Methode ermöglicht es uns, die Menge der erforderlichen Trainingsdaten nahezu zu halbieren. Anschließend erweitern wir unseren domänenunabhängigen Ansatz zur Informationsextraktion um die Aufgabe der Koreferenzauflösung. Die Auflösung von Koreferenzen zielt darauf ab, Erwähnungen zu identifizieren, die sich auf dasselbe Konzept oder dieselbe Entität beziehen. Experimentelle Ergebnisse auf unserem Korpus mit aktuellen Ansätzen zur Koreferenzauflösung haben gezeigt, dass diese bei wissenschaftlichen Texten unzureichend abschneiden. Daher schlagen wir eine Transfer-Learning-Methode vor, die annotierte Datensätze aus nicht-akademischen Bereichen nutzt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass unser Ansatz deutlich besser abschneidet als die bisherigen Ansätze. Darüber hinaus untersuchen wir den Einfluss der Koreferenzauflösung auf die Erstellung von Wissensgraphen. Wir zeigen, dass diese einen geringen Einfluss auf die Anzahl der resultierenden Konzepte in dem Wissensgraphen hat, aber die Qualität des Wissensgraphen deutlich verbessert. Mithilfe unseres domänenunabhängigen Ansatzes zur Informationsextraktion haben wir aus 55.485 Zusammenfassungen der zehn untersuchten STM-Domänen einen Forschungswissensgraphen erstellt. Unsere Analyse zeigt, dass jede Domäne hauptsächlich ihre eigene Terminologie verwendet und dass der erstellte Wissensgraph nützliche Konzepte enthält. Schließlich schlagen wir einen Ansatz für die Empfehlung von passenden Referenzen vor. Damit können Forschende einfacher relevante verwandte Arbeiten finden oder passende Empfehlungen erhalten. Unser Ansatz nutzt Forschungswissensgraphen, die Forschungsarbeiten mit in ihnen erwähnten wissenschaftlichen Konzepten verknüpfen. Wir zeigen, dass aktuelle Verfahren zur Empfehlung von Referenzen von zusätzlichen Informationen aus einem automatisch erstellten Wissensgraphen profitieren. Zum Schluss wird ein Fazit gezogen und ein Ausblick für mögliche zukünftige Arbeiten gegeben

Neural Graph Transfer Learning in Natural Language Processing Tasks

Natural language is essential in our daily lives as we rely on languages to communicate and exchange information. A fundamental goal for natural language processing (NLP) is to let the machine understand natural language to help or replace human experts to mine knowledge and complete tasks. Many NLP tasks deal with sequential data. For example, a sentence is considered as a sequence of works. Very recently, deep learning-based language models (i.e.,BERT \citep{devlin2018bert}) achieved significant improvement in many existing tasks, including text classification and natural language inference. However, not all tasks can be formulated using sequence models. Specifically, graph-structured data is also fundamental in NLP, including entity linking, entity classification, relation extraction, abstractive meaning representation, and knowledge graphs \citep{santoro2017simple,hamilton2017representation,kipf2016semi}. In this scenario, BERT-based pretrained models may not be suitable. Graph Convolutional Neural Network (GCN) \citep{kipf2016semi} is a deep neural network model designed for graphs. It has shown great potential in text classification, link prediction, question answering and so on. This dissertation presents novel graph models for NLP tasks, including text classification, prerequisite chain learning, and coreference resolution. We focus on different perspectives of graph convolutional network modeling: for text classification, a novel graph construction method is proposed which allows interpretability for the prediction; for prerequisite chain learning, we propose multiple aggregation functions that utilize neighbors for better information exchange; for coreference resolution, we study how graph pretraining can help when labeled data is limited. Moreover, an important branch is to apply pretrained language models for the mentioned tasks. So, this dissertation also focuses on the transfer learning method that generalizes pretrained models to other domains, including medical, cross-lingual, and web data. Finally, we propose a new task called unsupervised cross-domain prerequisite chain learning, and study novel graph-based methods to transfer knowledge over graphs