Enhancing navigation in biomedical databases by community voting and database-driven text classification

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The breadth of biological databases and their information content continues to increase exponentially. Unfortunately, our ability to query such sources is still often suboptimal. Here, we introduce and apply community voting, database-driven text classification, and visual aids as a means to incorporate distributed expert knowledge, to automatically classify database entries and to efficiently retrieve them.</p> <p>Results</p> <p>Using a previously developed peptide database as an example, we compared several machine learning algorithms in their ability to classify abstracts of published literature results into categories relevant to peptide research, such as related or not related to cancer, angiogenesis, molecular imaging, etc. Ensembles of bagged decision trees met the requirements of our application best. No other algorithm consistently performed better in comparative testing. Moreover, we show that the algorithm produces meaningful class probability estimates, which can be used to visualize the confidence of automatic classification during the retrieval process. To allow viewing long lists of search results enriched by automatic classifications, we added a dynamic heat map to the web interface. We take advantage of community knowledge by enabling users to cast votes in Web 2.0 style in order to correct automated classification errors, which triggers reclassification of all entries. We used a novel framework in which the database "drives" the entire vote aggregation and reclassification process to increase speed while conserving computational resources and keeping the method scalable. In our experiments, we simulate community voting by adding various levels of noise to nearly perfectly labelled instances, and show that, under such conditions, classification can be improved significantly.</p> <p>Conclusion</p> <p>Using PepBank as a model database, we show how to build a classification-aided retrieval system that gathers training data from the community, is completely controlled by the database, scales well with concurrent change events, and can be adapted to add text classification capability to other biomedical databases.</p> <p>The system can be accessed at <url>http://pepbank.mgh.harvard.edu</url>.</p

Learning structure and schemas from heterogeneous domains in networked systems: a survey

The rapidly growing amount of available digital documents of various formats and the possibility to access these through internet-based technologies in distributed environments, have led to the necessity to develop solid methods to properly organize and structure documents in large digital libraries and repositories. Specifically, the extremely large size of document collections make it impossible to manually organize such documents. Additionally, most of the document sexist in an unstructured form and do not follow any schemas. Therefore, research efforts in this direction are being dedicated to automatically infer structure and schemas. This is essential in order to better organize huge collections as well as to effectively and efficiently retrieve documents in heterogeneous domains in networked system. This paper presents a survey of the state-of-the-art methods for inferring structure from documents and schemas in networked environments. The survey is organized around the most important application domains, namely, bio-informatics, sensor networks, social networks, P2Psystems, automation and control, transportation and privacy preserving for which we analyze the recent developments on dealing with unstructured data in such domains.Peer ReviewedPostprint (published version

Biomedical semantic question and answering system

Tese de mestrado, Informática, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017Os sistemas de Question Answering são excelentes ferramentas para a obtenção de respostas simples e em vários formatos de uma maneira tamb´em simples, sendo de grande utilidade na área de Information Retrieval, para responder a perguntas da comunidade online, e também para fins investigativos ou de prospeção de informação. A área da saúde tem beneficiado muito com estes avanços, auxiliados com o progresso da tecnologia e de ferramentas delas provenientes, que podem ser usadas nesta área, resultando na constante informatização destas áreas. Estes sistemas têm um grande potencial, uma vez que eles acedem a grandes conjuntos de dados estruturados e não estruturados, como por exemplo, a Web ou a grandes repositórios de informação provenientes de lá, de forma a obter as suas respostas, e no caso da comunidade de perguntas e respostas, fóruns online de perguntas e respostas em threads por temática. Os dados não estruturados fornecem um maior desafio, apesar dos dados estruturados de certa maneira limitar o leque de opções transformativas sobre os mesmos. A mesma disponibilização de tais conjuntos de dados de forma pública em formato digital oferecem uma maior liberdade para o público, e mais especificamente os investigadores das áreas específicas envolvidas com estes dados, permitindo uma fácil partilha das mesmas entre os vários interessados. De um modo geral, tais sistemas não estão disponíveis para reutilização pública, porque estão limitados ao campo da investigação, para provar conceitos de algoritmos específicos, são de difícil reutilização por parte de um público mais alargado, ou são ainda de difícil manutenção, pois rapidamente podem ficar desatualizados, principalmente nas tecnologias usadas, que podem deixar de ter suporte. O objetivo desta tese é desenvolver um sistema que colmate algumas destas falhas, promovendo a modularidade entre os módulos, o equilíbrio entre a implementação e a facilidade de utilização, desempenho dos sub-módulos, com o mínimo de pré-requisitos possíveis, tendo como resultado final um sistema de QA base adapaptado para um domínio de conhecimento. Tal sistema será constituído por subsistemas provados individualmente. Nesta tese, são descritobos vários tipos de sistemas, como os de prospecção de informação e os baseados em conhecimento, com enfoque em dois sistemas específicos desta área, o YodaQA e o OAQA. São apresentadas também várias ferramentas úteis e que são recorridas em vários destes sistemas que recorrem a técnicas de Text Classification, que vão desde o processamento de linguagem natural, ao Tokenizatioin, ao Part-of-speech tagging, como a exploração de técnicas de aprendizagem automática (Machine Learning) recorrendo a algoritmos supervisionados e não supervisionados, a semelhança textual (Pattern Matching) e semelhança semântica (Semantic Similarity). De uma forma geral, a partir destas técnicas é possível através de trechos de texto fornecidos, obter informação adicional acerca desses mesmos trechos. São ainda abordadas várias ferramentas que utilizam as técnicas descritas, como algumas de anotação, outras de semelhança semântica e ainda outras num contexto de organização, ordenação e pesquisa de grandes quantidades de informação de forma escaláveis que são úteis e utilizadas neste tipo de aplicações. Alguns dos principais conjuntos de dados são também descritos e abordados. A framework desenvolvida resultou em dois sistemas com uma arquitetura modular em pipeline, composta por módulos distintos consoante a tarefa desenvolvida. Estes módulos tinham bem definido os seus parâmetros de entrada como o que devolviam. O primeiro sistema tinha como entrada um conjunto de threads de perguntas e respostas em comentário e devolvia cada conjunto de dez comentários a uma pergunta ordenada e com um valor que condizia com a utilidade desse comentário para com a resposta. Este sistema denominou-se por MoRS e foi a prova de conceito modular do sistema final a desenvolver. O segundo sistema tem como entrada variadas perguntas da área da biomédica restrita a quatro tipos de pergunta, devolvendo as respectivas respostas, acompanhadas de metadata utilizada na análise dessa pergunta. Foram feitas algumas variações deste sistema, por forma a poder aferir se as escolhas de desenvolvimento iam sendo correctas, utilizando sempre a mesma framework (MoQA) e culminando com o sistema denominado MoQABio. Os principais módulos que compõem estes sistemas incluem, por ordem de uso, um módulo para o reconhecimento de entidades (também biomédicas), utilizando uma das ferramentas já investigadas no capítulo do trabalho relacionado. Também um módulo denominado de Combiner, em que a cada documento recolhido a partir do resultado do módulo anterior, são atribuídos os resultados de várias métricas, que servirão para treinar, no módulo seguinte, a partir da aplicação de algoritmos de aprendizagem automática de forma a gerar um modelo de reconhecimento baseado nestes casos. Após o treino deste modelo, será possível utilizar um classificador de bons e maus artigos. Os modelos foram gerados na sua maioria a partir de Support Vector Machine, havendo também a opção de utilização de Multi-layer Perceptron. Desta feita, dos artigos aprovados são retirados metadata, por forma a construir todo o resto da resposta, que incluia os conceitos, referencia dos documentos, e principais frases desses documentos. No módulo do sistema final do Combiner, existem avaliações que vão desde o já referido Pattern Matching, com medidas como o número de entidades em comum entre a questão e o artigo, de Semantic Similarity usando métricas providenciadas pelos autores da biblioteca Sematch, incluindo semelhança entre conceitos e entidades do DBpedia e outras medidas de semelhança semântica padrão, como Resnik ou Wu-Palmer. Outras métricas incluem o comprimento do artigo, uma métrica de semelhança entre duas frases e o tempo em milisegundos desse artigo. Apesar de terem sido desenvolvidos dois sistemas, as variações desenvolvidas a partir do MoQA, é que têm como pré-requisitos conjuntos de dados provenientes de várias fontes, entre elas o ficheiro de treino e teste de perguntas, o repositório PubMed, que tem inúmeros artigos científicos na área da biomédica, dos quais se vai retirar toda a informação utilizada para as respostas. Além destas fontes locais, existe o OPENphacts, que é externa, que fornecerá informação sobre várias expressões da área biomédica detectadas no primeiro módulo. No fim dos sistemas cujo ancestral foi o MoQA estarem prontos, é possível os utilizadores interagirem com este sistema através de uma aplicação web, a partir da qual, ao inserirem o tipo de resposta que pretendem e a pergunta que querem ver respondida, essa pergunta é passada pelo sistema e devolvida à aplicação web a resposta, e respectiva metadata. Ao investigar a metadata, é possível aceder à informação original. O WS4A participou no BioASQ de 2016, desenvolvida pela equipa ULisboa, o MoRS participou do SemEval Task 3 de 2017 e foi desenvolvida pelo pr´oprio, e por fim oMoQA da mesma autoria do segundo e cujo desempenho foi avaliado consoante os mesmos dados e métricas do WS4A. Enquanto que no caso do BioASQ, era abordado o desempenho de um sistema de Question Answering na àrea da biomédica, no SemEval era abordado um sistema de ordenação de comentários para com uma determinada pergunta, sendo os sistemas submetidos avaliados oficialmente usando as medidas como precision, recall e F-measure. De forma a comparar o impacto das características e ferramentas usadas em cada um dos modelos de aprendizagem automática construídos, estes foram comparados entre si, assim como a melhoria percentual entre os sistemas desenvolvidos ao longo do tempo. Além das avaliações oficiais, houve também avaliações locais que permitiram explorar ainda mais a progressão dos sistemas ao longo do tempo, incluindo os três sistemas desenvolvidos a partir do MoQA. Este trabalho apresenta um sistema que apesar de usar técnicas state of the art com algumas adaptações, conseguiu atingir uma melhoria desempenho relevante face ao seu predecessor e resultados equiparados aos melhores do ano da competição cujos dados utilizou, possuindo assim um grande potencial para atingir melhores resultados. Alguns dos seus contributos já vêm desde Fevereiro de 2016, com o WS4A [86], que participou no BioASQ 2016, com o passo seguinte no MoRS [85], que por sua vez participou no SemEval 2017, findando pelo MoQA, com grandes melhorias e disponível ao público em https://github.com/lasigeBioTM/MoQA. Como trabalho futuro, propõem-se sugestões, começando por melhorar a robustez do sistema, exploração adicional da metadata para melhor direcionar a pesquisa de respostas, a adição e exploração de novas características do modelo a desenvolver e a constante renovação de ferramentas utilizadas Também a incorporação de novas métricas fornecidas pelo Sematch, o melhoramento da formulação de queries feitas ao sistema são medidas a ter em atenção, dado que é preciso pesar o desempenho e o tempo de resposta a uma pergunta.Question Answering systems have been of great use and interest in our times. They are great tools for acquiring simple answers in a simple way, being of great utility in the area of information retrieval, and also for community question answering. Such systems have great potential, since they access large sets of data, for example from the Web, to acquire their answers, and in the case of community question answering, forums. Such systems are not available for public reuse because they are only limited for researching purposes or even proof-of-concept systems of specific algorithms, with researchers repeating over and over again the same r very similar modules frequently, thus not providing a larger public with a tool which could serve their purposes. When such systems are made available, are of cumbersome installation or configuration, which includes reading the documentation and depending on the researchers’ programming ability. In this thesis, the two best available systems in these situations, YodaQA and OAQA are described. A description of the main modules is given, with some sub-problems and hypothetical solutions, also described. Many systems, algorithms (i.e. learning, ranking) were also described. This work presents a modular system, MoQA (which is available at https:// github.com/lasigeBioTM/MoQA), that solves some of these problems by creating a framework that comes with a baseline QA system for general purpose local inquiry, but which is a highly modular system, built with individually proven subsystems, and using known tools such as Sematch, It is a descendant of WS4A [86] and MoRS [85], which took part in BioASQ 2016 (with recognition) and SemEval 2017 repectively. Machine Learning algorithms and Stanford Named Entity Recognition. Its purpose is to have a performance as high as possible while keeping the prerequisites, edition, and the ability to change such modules to the users’ wishes and researching purposes while providing an easy platform through which the final user may use such framework. MoQA had three variants, which were compared with each other, with MoQABio, with the best results among them, by using different tools than the other systems, focusing on the biomedical domain knowledge

Entity-centric knowledge discovery for idiosyncratic domains

Technical and scientific knowledge is produced at an ever-accelerating pace, leading to increasing issues when trying to automatically organize or process it, e.g., when searching for relevant prior work. Knowledge can today be produced both in unstructured (plain text) and structured (metadata or linked data) forms. However, unstructured content is still themost dominant formused to represent scientific knowledge. In order to facilitate the extraction and discovery of relevant content, new automated and scalable methods for processing, structuring and organizing scientific knowledge are called for. In this context, a number of applications are emerging, ranging fromNamed Entity Recognition (NER) and Entity Linking tools for scientific papers to specific platforms leveraging information extraction techniques to organize scientific knowledge. In this thesis, we tackle the tasks of Entity Recognition, Disambiguation and Linking in idiosyncratic domains with an emphasis on scientific literature. Furthermore, we study the related task of co-reference resolution with a specific focus on named entities. We start by exploring Named Entity Recognition, a task that aims to identify the boundaries of named entities in textual contents. We propose a newmethod to generate candidate named entities based on n-gram collocation statistics and design several entity recognition features to further classify them. In addition, we show how the use of external knowledge bases (either domain-specific like DBLP or generic like DBPedia) can be leveraged to improve the effectiveness of NER for idiosyncratic domains. Subsequently, we move to Entity Disambiguation, which is typically performed after entity recognition in order to link an entity to a knowledge base. We propose novel semi-supervised methods for word disambiguation leveraging the structure of a community-based ontology of scientific concepts. Our approach exploits the graph structure that connects different terms and their definitions to automatically identify the correct sense that was originally picked by the authors of a scientific publication. We then turn to co-reference resolution, a task aiming at identifying entities that appear using various forms throughout the text. We propose an approach to type entities leveraging an inverted index built on top of a knowledge base, and to subsequently re-assign entities based on the semantic relatedness of the introduced types. Finally, we describe an application which goal is to help researchers discover and manage scientific publications. We focus on the problem of selecting relevant tags to organize collections of research papers in that context. We experimentally demonstrate that the use of a community-authored ontology together with information about the position of the concepts in the documents allows to significantly increase the precision of tag selection over standard methods