PrAGMATiC: a Probabilistic and Generative Model of Areas Tiling the Cortex

Much of the human cortex seems to be organized into topographic cortical maps. Yet few quantitative methods exist for characterizing these maps. To address this issue we developed a modeling framework that can reveal group-level cortical maps based on neuroimaging data. PrAGMATiC, a probabilistic and generative model of areas tiling the cortex, is a hierarchical Bayesian generative model of cortical maps. This model assumes that the cortical map in each individual subject is a sample from a single underlying probability distribution. Learning the parameters of this distribution reveals the properties of a cortical map that are common across a group of subjects while avoiding the potentially lossy step of co-registering each subject into a group anatomical space. In this report we give a mathematical description of PrAGMATiC, describe approximations that make it practical to use, show preliminary results from its application to a real dataset, and describe a number of possible future extensions

Dimensionality Reduction Mappings

A wealth of powerful dimensionality reduction methods has been established which can be used for data visualization and preprocessing. These are accompanied by formal evaluation schemes, which allow a quantitative evaluation along general principles and which even lead to further visualization schemes based on these objectives. Most methods, however, provide a mapping of a priorly given finite set of points only, requiring additional steps for out-of-sample extensions. We propose a general view on dimensionality reduction based on the concept of cost functions, and, based on this general principle, extend dimensionality reduction to explicit mappings of the data manifold. This offers simple out-of-sample extensions. Further, it opens a way towards a theory of data visualization taking the perspective of its generalization ability to new data points. We demonstrate the approach based on a simple global linear mapping as well as prototype-based local linear mappings.

Metrics for Probabilistic Geometries

We investigate the geometrical structure of probabilistic generative dimensionality reduction models using the tools of Riemannian geometry. We explicitly define a distribution over the natural metric given by the models. We provide the necessary algorithms to compute expected metric tensors where the distribution over mappings is given by a Gaussian process. We treat the corresponding latent variable model as a Riemannian manifold and we use the expectation of the metric under the Gaussian process prior to define interpolating paths and measure distance between latent points. We show how distances that respect the expected metric lead to more appropriate generation of new data.Comment: UAI 201

Advances in semi-supervised alignment-free classification of G protein-coupled receptors

G Protein-coupled receptors (GPCRs) are integral cell membrane proteins of great relevance for pharmacology due to their role in transducing extracellular signals. The 3-D s tructure is unknown for most of them, and the investigation of their structure-function relationships usually relies on the construction of 3-D receptor models from amino acid sequence alignment onto those receptors of known structure. Sequence alignment risks the loss of relevant information. Different approaches have attempted the analysis of alignment-free sequences on the basis of amino acid physicochemical properties. In this paper, we use the Auto-Cross Covariance method and compare it to an amino acid composition representation. Novel semi-supervised manifold learning methods are then used to classify the several members of class C GPCRs on the basis of the transformed data. This approach is relevant because protein sequences are not always labeled and methods that provide robust classification for a limited amount of labels are required.Peer ReviewedPostprint (published version

Natural computation techniques for uncovering low-dimensional topological structures in large scale astronomical simulations

During my PhD studies, I collaborated in an exciting project between astronomeers and computer scientists. We developed machine learning strategies to detect, extract, and denoise manifolds embedded in potentially large amounts of background noise in higher dimensions. Examples of such a dataset are filaments in an N-body simulation of the Cosmic web or streams of a jellyfish-like dwarf galaxy. Furthermore, we proposed a subsampling technique that preserves the crucial topological information of large astronomical datasets. Extracting information from large data sets, such as discovering bubbles in a dwarf galaxy simulation, is often resource-demanding. As a result, the proposed subsampling is of utmost importance. Besides, to further continue the study, the position of particles on the border of bubbles should be determined. We also suggest a pipeline to recover a tight boundary around each bubble and finally, we conduct an extensive analysis of the temperature, velocity of expansion, age, and other physical features of the discovered bubbles through several snapshots of the dwarf galaxy simulation

Improved data visualisation through multiple dissimilarity modelling

Popular dimension reduction and visualisation algorithms rely on the assumption that input dissimilarities are typically Euclidean, for instance Metric Multidimensional Scaling, t-distributed Stochastic Neighbour Embedding and the Gaussian Process Latent Variable Model. It is well known that this assumption does not hold for most datasets and often high-dimensional data sits upon a manifold of unknown global geometry. We present a method for improving the manifold charting process, coupled with Elastic MDS, such that we no longer assume that the manifold is Euclidean, or of any particular structure. We draw on the benefits of different dissimilarity measures allowing for the relative responsibilities, under a linear combination, to drive the visualisation process

ASAP – A sub-sampling approach for preserving topological structures modeled with geodesic topographic mapping

Topological data analysis tools enjoy increasing popularity in a wide range of applications, such as Computer graphics, Image analysis, Machine learning, and Astronomy for extracting information. However, due to computational complexity, processing large numbers of samples of higher dimensionality quickly becomes infeasible. This contribution is twofold: We present an efficient novel sub-sampling strategy inspired by Coulomb's law to decrease the number of data points in d-dimensional point clouds while preserving its homology. The method is not only capable of reducing the memory and computation time needed for the construction of different types of simplicial complexes but also preserves the size of the voids in d-dimensions, which is crucial e.g. for astronomical applications. Furthermore, we propose a technique to construct a probabilistic description of the border of significant cycles and cavities inside the point cloud. We demonstrate and empirically compare the strategy in several synthetic scenarios and an astronomical particle simulation of a dwarf galaxy for the detection of superbubbles (supernova signatures). (c) 2021 The Authors. Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY license (http:// creativecommons.org/licenses/by/4.0/)

Visualization and interpretability in probabilistic dimensionality reduction models

Over the last few decades, data analysis has swiftly evolved from being a task addressed mainly within the remit of multivariate statistics, to an endevour in which data heterogeneity, complexity and even sheer size, driven by computational advances, call for alternative strategies, such as those provided by pattern recognition and machine learning. Any data analysis process aims to extract new knowledge from data. Knowledge extraction is not a trivial task and it is not limited to the generation of data models or the recognition of patterns. The use of machine learning techniques for multivariate data analysis should in fact aim to achieve a dual target: interpretability and good performance. At best, both aspects of this target should not conflict with each other. This gap between data modelling and knowledge extraction must be acknowledged, in the sense that we can only extract knowledge from models through a process of interpretation. Exploratory information visualization is becoming a very promising tool for interpretation. When exploring multivariate data through visualization, high data dimensionality can be a big constraint, and the use of dimensionality reduction techniques is often compulsory. The need to find flexible methods for data modelling has led to the development of non-linear dimensionality reduction techniques, and many state-of-the-art approaches of this type fall in the domain of probabilistic modelling. These non-linear techniques can provide a flexible data representation and a more faithful model of the observed data compared to the linear ones, but often at the expense of model interpretability, which has an impact in the model visualization results. In manifold learning non-linear dimensionality reduction methods, when a high-dimensional space is mapped onto a lower-dimensional one, the obtained embedded manifold is subject to local geometrical distortion induced by the non-linear mapping. This kind of distortion can often lead to misinterpretations of the data set structure and of the obtained patterns. It is important to give relevance to the problem of how to quantify and visualize the distortion itself in order to interpret data in a more faithful way. The research reported in this thesis focuses on the development of methods and techniques for explicitly reintroducing the local distortion created by non-linear dimensionality reduction models into the low-dimensional visualization of the data that they produce, as well as in the definition of metrics for probabilistic geometries to address this problem. We do not only provide methods only for static data, but also for multivariate time series. The reintegration of the quantified non-linear distortion into the visualization space of the analysed non-linear dimensionality reduction methods is a goal by itself, but we go beyond it and consider alternative adequate metrics for probabilistic manifold learning. For that, we study the role of \textit{Random geometries}, that is, distributions of manifolds, in machine learning and data analysis in general. Methods for the estimation of distributions of data-supporting Riemannian manifolds as well as algorithms for computing interpolants over distributions of manifolds are defined. Experimental results show that inference made according to the random Riemannian metric leads to a more faithful generation of unobserved data.Durant les últimes dècades, l’anàlisi de dades ha evolucionat ràpidament de ser una tasca dirigida principalment dins de l’àmbit de l’estadística multivariant, a un endevour en el qual l’heterogeneïtat de les dades, la complexitat i la simple grandària, impulsats pels avanços computacionals, exigeixen estratègies alternatives, tals com les previstes en el Reconeixement de Formes i l’Aprenentatge Automàtic. Qualsevol procés d’anàlisi de dades té com a objectiu extreure nou coneixement a partir de les dades. L’extracció de coneixement no és una tasca trivial i no es limita a la generació de models de dades o el reconeixement de patrons. L’ús de tècniques d’aprenentatge automàtic per a l’anàlisi de dades multivariades, de fet, hauria de tractar d’aconseguir un objectiu doble: la interpretabilitat i un bon rendiment. En el millor dels casos els dos aspectes d’aquest objectiu no han d’entrar en conflicte entre sí. S’ha de reconèixer la bretxa entre el modelatge de dades i l’extracció de coneixement, en el sentit que només podem extreure coneixement a partir dels models a través d’un procés d’interpretació. L’exploració de la visualització d’informació s’està convertint en una eina molt prometedora per a la interpretació dels models. Quan s’exploren les dades multivariades a través de la visualització, la gran dimensionalitat de les dades pot ser un obstacle, i moltes vegades és obligatori l’ús de tècniques de reducció de dimensionalitat. La necessitat de trobar mètodes flexibles per al modelatge de dades ha portat al desenvolupament de tècniques de reducció de dimensionalitat no lineals. L’estat de l’art d’aquests enfocaments cau moltes vegades en el domini de la modelització probabilística. Aquestes tècniques no lineals poden proporcionar una representació de les dades flexible i un model de les dades més fidel comparades amb els models lineals, però moltes vegades a costa de la interpretabilitat del model, que té un impacte en els resultats de visualització. En els mètodes d’aprenentatge de varietats amb reducció de dimensionalitat no lineals, quan un espai d’alta dimensió es projecta sobre un altre de dimensió menor, la varietat immersa obtinguda està subjecta a una distorsió geomètrica local induïda per la funció no lineal. Aquest tipus de distorsió pot conduir a interpretacions errònies de l’estructura del conjunt de dades i dels patrons obtinguts. Per això, és important donar rellevància al problema de com quantificar i visualitzar aquesta distorsió en sí, amb la finalitat d’interpretar les dades d’una manera més fidel. La recerca presentada en aquesta tesi se centra en el desenvolupament de mètodes i tècniques per reintroduir de forma explícita a l’espai de visualització la distorsió local creada per la funció no lineal. Aquesta recerca se centra també en la definició de mètriques per a geometries probabilístiques per fer front al problema de la distorsió de la funció en els models de reducció de dimensionalitat no lineals. No proporcionem mètodes només per a les dades estàtiques, sinó també per a sèries temporals multivariades. La reintegració de la distorsió no lineal a l’espai de visualització dels mètodes de reducció de dimensionalitat no lineals analitzats és un objectiu en sí mateix, però aquesta anàlisi va més enllà i considera també les mètriques probabilístiques adequades a l’aprenentatge de varietats probabilístiques. Per això, estudiem el paper de les Geometries Aleatòries (distribucions de les varietats) en Aprenentatge Automàtic i anàlisi de dades en general. Es defineixen aquí els mètodes per a l’estimació de les distribucions de varietats de Riemann de suport a les dades, així com els algorismes per calcular interpolants en les distribucions de varietats. Els resultats experimentals mostren que la inferència feta segons les mètriques de les varietats Riemannianes Aleatòries dóna origen a una generació de les dades observades més fidelDurant les últimes dècades, l'anàlisi de dades ha evolucionat ràpidament de ser una tasca dirigida principalment dins de l'àmbit de l'estadística multivariant, a un endevour en el qual l'heterogeneïtat de les dades, la complexitat i la simple grandària, impulsats pels avanços computacionals, exigeixen estratègies alternatives, tals com les previstes en el Reconeixement de Formes i l'Aprenentatge Automàtic. La recerca presentada en aquesta tesi se centra en el desenvolupament de mètodes i tècniques per reintroduir de forma explícita a l'espai de visualització la distorsió local creada per la funció no lineal. Aquesta recerca se centra també en la definició de mètriques per a geometries probabilístiques per fer front al problema de la distorsió de la funció en els models de reducció de dimensionalitat no lineals. No proporcionem mètodes només per a les dades estàtiques, sinó també per a sèries temporals multivariades. La reintegració de la distorsió no lineal a l'espai de visualització dels mètodes de reducció de dimensionalitat no lineals analitzats és un objectiu en sí mateix, però aquesta anàlisi va més enllà i considera també les mètriques probabilístiques adequades a l'aprenentatge de varietats probabilístiques. Per això, estudiem el paper de les Geometries Aleatòries (distribucions de les varietats) en Aprenentatge Automàtic i anàlisi de dades en general. Es defineixen aquí els mètodes per a l'estimació de les distribucions de varietats de Riemann de suport a les dades, així com els algorismes per calcular interpolants en les distribucions de varietats. Els resultats experimentals mostren que la inferència feta segons les mètriques de les varietats Riemannianes Aleatòries dóna origen a una generació de les dades observades més fidel. Qualsevol procés d'anàlisi de dades té com a objectiu extreure nou coneixement a partir de les dades. L'extracció de coneixement no és una tasca trivial i no es limita a la generació de models de dades o el reconeixement de patrons. L'ús de tècniques d'aprenentatge automàtic per a l'anàlisi de dades multivariades, de fet, hauria de tractar d'aconseguir un objectiu doble: la interpretabilitat i un bon rendiment. En el millor dels casos els dos aspectes d'aquest objectiu no han d'entrar en conflicte entre sí. S'ha de reconèixer la bretxa entre el modelatge de dades i l'extracció de coneixement, en el sentit que només podem extreure coneixement a partir dels models a través d'un procés d'interpretació. L'exploració de la visualització d'informació s'està convertint en una eina molt prometedora per a la interpretació dels models. Quan s'exploren les dades multivariades a través de la visualització, la gran dimensionalitat de les dades pot ser un obstacle, i moltes vegades és obligatori l'ús de tècniques de reducció de dimensionalitat. La necessitat de trobar mètodes flexibles per al modelatge de dades ha portat al desenvolupament de tècniques de reducció de dimensionalitat no lineals. L'estat de l'art d'aquests enfocaments cau moltes vegades en el domini de la modelització probabilística. Aquestes tècniques no lineals poden proporcionar una representació de les dades flexible i un model de les dades més fidel comparades amb els models lineals, però moltes vegades a costa de la interpretabilitat del model, que té un impacte en els resultats de visualització. En els mètodes d'aprenentatge de varietats amb reducció de dimensionalitat no lineals, quan un espai d'alta dimensió es projecta sobre un altre de dimensió menor, la varietat immersa obtinguda està subjecta a una distorsió geomètrica local induïda per la funció no lineal. Aquest tipus de distorsió pot conduir a interpretacions errònies de l'estructura del conjunt de dades i dels patrons obtinguts. Per això, és important donar rellevància al problema de com quantificar i visualitzar aquesta distorsió en sì, amb la finalitat d'interpretar les dades d'una manera més fidel

Probabilistic topographic information visualisation

The focus of this thesis is the extension of topographic visualisation mappings to allow for the incorporation of uncertainty. Few visualisation algorithms in the literature are capable of mapping uncertain data with fewer able to represent observation uncertainties in visualisations. As such, modifications are made to NeuroScale, Locally Linear Embedding, Isomap and Laplacian Eigenmaps to incorporate uncertainty in the observation and visualisation spaces. The proposed mappings are then called Normally-distributed NeuroScale (N-NS), T-distributed NeuroScale (T-NS), Probabilistic LLE (PLLE), Probabilistic Isomap (PIso) and Probabilistic Weighted Neighbourhood Mapping (PWNM). These algorithms generate a probabilistic visualisation space with each latent visualised point transformed to a multivariate Gaussian or T-distribution, using a feed-forward RBF network. Two types of uncertainty are then characterised dependent on the data and mapping procedure. Data dependent uncertainty is the inherent observation uncertainty. Whereas, mapping uncertainty is defined by the Fisher Information of a visualised distribution. This indicates how well the data has been interpolated, offering a level of ‘surprise’ for each observation. These new probabilistic mappings are tested on three datasets of vectorial observations and three datasets of real world time series observations for anomaly detection. In order to visualise the time series data, a method for analysing observed signals and noise distributions, Residual Modelling, is introduced. The performance of the new algorithms on the tested datasets is compared qualitatively with the latent space generated by the Gaussian Process Latent Variable Model (GPLVM). A quantitative comparison using existing evaluation measures from the literature allows performance of each mapping function to be compared. Finally, the mapping uncertainty measure is combined with NeuroScale to build a deep learning classifier, the Cascading RBF. This new structure is tested on the MNist dataset achieving world record performance whilst avoiding the flaws seen in other Deep Learning Machines