Eu resolvi esse problema com a ajuda do feedback Amias . Em vez de usar os drivers fornecidos pelo Ubuntu, baixei as versões mais recentes do driver da GPU (367.27), bem como o kit de ferramentas CUDA (cuda_7.5.18_linux.run) e instalei-as manualmente. Agora tenho suporte ao CUDA no MATLAB, além de poder iniciar outros programas gráficos.