Netværksteori forbinder adfærdsmæssig informationsstrøm med indeholdte epidemiske udbrud

I løbet af de sidste to årtier, store udbrud af infektionssygdomme har resulteret i høje niveauer af sygelighed, dødelighed, og den samlede økonomiske byrde for berørte regioner. Efterhånden som komplekse netværk bliver mere og mere populære studieværktøjer, forskere anvender netværksteori på epidemiologiområdet. På grund af overfloden af ​​sygdomsrelaterede data tilgængelige fra forskellige medier, et individs adfærdsmæssige reaktion på og kommunikation af en epidemi afhænger af informationsstrømmens mønster i et separat, men alligevel beslægtet netværk. Som resultat, matematiske modeller af menneskers reaktioner på sygdomsudbrud er vigtige værktøjer i epidemiologisk analyse.

I en artikel, der offentliggøres i næste uge i SIAM Journal on Applied Mathematics , Mengfeng Sun, Michael Lille, Shui Shan Lee, og Xinchu Fu anvender en konkret samspilsmodel i quenched multiplex-netværk til at studere sammenhængen mellem adaptiv menneskelig adfærd og epidemispredning. De baserer deres model – som illustrerer disse faktorer som separate lag i netværkene – på en standard modtagelig-inficeret-modtagelig model. Dens almindelighed gør den anvendelig til en bred vifte af folkesundhedsscenarier.

Medlemmer af en berørt befolkning baserer typisk deres adfærdsmæssige reaktioner på information indsamlet fra massemedier og sociale medier, fysiske møder i deres sociale og rumlige kvarterer, og generelle observationer. "Traditionelt infektionssygdomsmodeller har behandlet menneskelig adfærd som konstant, antyder, at de ikke svinger i henhold til sygdomsforekomst eller en karakteristisk tidsskala, " sagde Sun og Fu. "Men, udviklingen af ​​moderne teknologi tilbyder en stor bekvemmelighed for kommunikation af menneskelig adfærd, inklusive samtaler ansigt til ansigt, e-mail udveksling, telefonopkald, og andre typer interaktioner i en række netværksfora." Mennesker vedtager forebyggende foranstaltninger baseret på disse direkte eller indirekte relationer, både for at beskytte sig mod infektion og mindske risikoen for yderligere sygdomsoverførsel. Sådanne foranstaltninger omfatter begrænsning eller eliminering af tid tilbragt uden for hjemmet, øget opmærksomhed på håndvask og personlig hygiejne, og begrænset kontakt til naboer og andre borgere.

Tidligere undersøgelser, der involverer komplekse samspilsmodeller, har klassificeret bevidsthed i tre kategorier:lokal bevidsthed, global bevidsthed, og kontaktbevidsthed. Imidlertid, Sun et al. klassificere det i to alternative kategorier:(i) adaptiv adfærd, der stammer fra bevidsthed og (ii) adfærdsmæssig informationstransmission (udbredelsen af ​​selve bevidstheden). "Vores arbejde er inden for rammerne af netværksbaserede modeller, og vi bruger en mere nøjagtig netværkskonfiguration – quenched multiplex-netværk – til at modellere transmissionen af ​​en infektion, " sagde Sun og Fu. "Denne konfiguration involverer samspillet mellem epidemisk spredning, informationsoverførsel, og adfærdsdynamik." Forfatterne konfigurerer disse multiplex-netværk i to lag. Et lag står for tilbagevendende fysiske kontakter, som kollegaer, familie medlemmer, venner, klassekammerater, og naboer; interaktion med disse grupper kan sprede infektion. Den anden vedrører virtuelle kontakter - bekendte på Facebook, Twitter, eller andre online sociale netværksplatforme; kommunikation med denne gruppe er ikke fysisk og kan derfor ikke aktivt sprede smitte.

Når folk bliver opmærksomme på en epidemi, adaptiv adfærd og adfærdsmæssig informationsoverførsel forekommer samtidigt, med transmission, der ansporer til fortsat tilpasning. Med henblik på deres model, Sun et al. fokus på adaptiv adfærds effekt på infektionsraten. Individers sygdomsrelaterede kommunikation ændrer støt adfærd, indtil den når en optimal beskyttende tilstand. En sådan adfærd er et resultat af spredningen af ​​information vedrørende epidemien, snarere end selve epidemien. Det har en tendens til at være konsekvent eller flokagtigt, som folk kommunikerer beskyttende adfærd med deres naboer oftere, når en epidemi manifesterer sig for at beskytte sig selv. En højere adaptiv styrke korrelerer med en lavere risiko for infektion.

"Ved at tage højde for flere dynamiske processer samtidigt, vores model beskriver ikke kun nøjagtigt den faktiske spredning af epidemier i komplekse netværk, men karakteriserer også interaktionerne mellem overførslen af ​​nogle epidemier (såsom almindelig forkølelse, sæsonbestemt influenza, dengue feber, Zika, osv.) og den tilsvarende menneskelige adfærd, " sagde Sun og Fu. "Vi finder også ud af, at adfærdskontrol for nogle individer øger hastigheden, hvormed epidemien har tendens til at blive stabil, og hastigheden af ​​kollektiv synkronisering, og reducerer også væsentligt værdien af ​​den højeste top af infektionens prævalens. Dette tyder på, at vores epidemiske kontrolstrategi ud fra adfærdskontrol er meget gyldig."

For at teste deres model, forfatterne anvender det på et udbrud af alvorligt akut respiratorisk syndrom (SARS), en smitsom og farlig luftvejssygdom. Fordi der i øjeblikket ikke findes vacciner mod SARS, folkesundhedsforanstaltninger er primært ansvarlige for dens kontrol. Sun et al. fokus på to typer mindre forebyggende foranstaltninger fra det seneste udbrud:smitteforholdsregler (dvs. brug af beskyttelsesudstyr – såsom handsker – og opmærksomhed på personlig og miljømæssig hygiejne) og kontaktforholdsregler (minimering af tid brugt i offentlige rum). En persons beslutning om at vedtage disse foranstaltninger afhænger af udbruddets sværhedsgrad. Forfatterne skaber en matematisk model, der inkluderer SARS-transmission, adfærdsudvikling, og regulering af offentlige institutioner. Hvert individ i et berørt område tildeles en af ​​fire mulige tilstande:modtagelig, asymptomatisk, symptomatisk, eller genvundet.

"Analysen tyder på, at en hurtig adfærdsmæssig reaktion, en kombination af folkesundhedsforanstaltninger, og reguleringen af ​​offentlige institutioner for visse nøglepersoner (dem med flere forbindelser) kan effektivt bremse udbruddet af SARS ved at reducere kumulative infektioner og dødsfald og reducere det reproduktive antal, " sagde Sun og Lee. Forebyggende adfærd var især effektiv under epidemiens tidlige stadier, og opnåelse af den optimale forebyggende tilstand for alle individer førte til hurtig indeslutning. Ultimativt, både farmaceutiske og ikke-farmaceutiske foranstaltninger var ansvarlige for total kontrol.

Fordi producenter ikke umiddelbart kan stille vacciner eller målrettede lægemidler til rådighed ved begyndelsen af ​​en epidemi, regeringer, offentlige sundhedsmyndigheder, og/eller massemedier rådgiver typisk befolkningen om passende foranstaltninger til optimal selvbeskyttelse og reduceret modtagelighed eller smitteevne. Borgernes øgede bevidsthed om adaptiv adfærd giver forskere og læger tid til at stille vacciner og behandlinger til rådighed.

"De numeriske resultater viser, at individuel adaptiv adfærd udløst af fremkomsten af ​​en epidemi kan bremse spredningen af ​​infektionen, sænke den endelige epidemistørrelse, og i nogle tilfælde kan forhindre infektionen i at blive udbredt, " sagde Small. "Disse resultater giver os en alternativ idé til at forstå, hvorfor nogle infektioner ikke forårsager større udbrud eller når epidemiens grænse i fravær af immuniseringspolitik eller territorium-dækkende karantæne- og isolationsforanstaltninger."

Sun et al. håber at inkorporere realistiske data om menneskelig adfærd for at formulere mere praktiske og anvendelige modeller. They plan to specifically investigate the effects of drastic control measures—such as isolation, vaccination, and treatment—and the impact of the time delay between when individuals become aware of an outbreak and when they modify their behaviors. Indtil da, their current model identifies several methods through which individuals can protect themselves and their neighbors from emerging epidemics.