普林斯頓大學(xué)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一個(gè)模型來(lái)探究所采取行動(dòng)的有效性。

戴著口罩，保持社交距離，洗手，關(guān)閉學(xué)校和商店 -- 這些措施是為了保護(hù)人們不被感染COVID-19的病毒而采取的一些措施。但這些干預(yù)措施究竟有多有效呢？

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和普林斯頓大學(xué)的工程師相信，他們已經(jīng)開發(fā)出一種數(shù)學(xué)建模方法，可以告訴我們答案。他們的項(xiàng)目名為COVID-19傳播建模與控制，以評(píng)估和優(yōu)化干預(yù)政策，該項(xiàng)目著眼于影響SARS-CoV-2病毒傳播的各種因素，包括病毒突變以及戴口罩等預(yù)防措施。

Photo: Sameer A. Khan/Fotobuddy

IEEE Fellow，H. Vincent Poor是該小組的主要研究員。他是普林斯頓大學(xué)電氣工程教授，也是其工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的臨時(shí)院長(zhǎng)。研究小組成員中還有IEEE高級(jí)會(huì)員，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程副教授Osman Yagan，以及普林斯頓大學(xué)和賓夕法尼亞大學(xué)研究病毒傳播的數(shù)學(xué)生物學(xué)家。

Poor說(shuō)：“我們的目標(biāo)是盡可能了解病毒發(fā)生的情況和采取的措施，然后利用該模型幫助了解最有效的控制機(jī)制是什么。”

該模型最近獲得了C3.ai數(shù)字轉(zhuǎn)換研究所（C3.ai Digital Transformation Institute）的資助，該研究所是一個(gè)新的研究聯(lián)盟，正在資助可以減輕流行病影響的項(xiàng)目。有關(guān)Osman和Poor病毒傳播的相關(guān)項(xiàng)目也得到了美國(guó)陸軍研究辦公室和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的資助。

THE INFORMATION-SPREADING PROCESS

新模型的模板改編自研究人員2019年開發(fā)的一種數(shù)學(xué)理論，該理論研究病毒的傳播過(guò)程及其突變。在三月份發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences）》上的論文中，他們將病毒的傳播和變異與現(xiàn)實(shí)生活中的信息在人際網(wǎng)絡(luò)中傳播時(shí)的變化進(jìn)行了比較。例如，朋友之間分享的故事或社交媒體帖子通常會(huì)被添加更多的細(xì)節(jié)修飾并傳遞給其他人。

冠狀病毒的一個(gè)常見模型，即SIR（susceptible, infected, and recovered），是病毒傳播的一個(gè)非常基本的模型。研究人員表示，這并沒(méi)有考慮到患者的潛在健康狀況，或者有些人比其他人傳播更多的COVID-19飛沫。

Poor和他的同事在2019年的那篇研究文章中寫道：“以前的流行病模型假設(shè)病原體或一條信息在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間傳輸，而不經(jīng)過(guò)任何修改或進(jìn)化適應(yīng)。但是）在現(xiàn)實(shí)生活中的傳播過(guò)程中，病原體往往會(huì)隨著環(huán)境的變化和醫(yī)療干預(yù)的變化而進(jìn)化，信息在被轉(zhuǎn)發(fā)之前往往會(huì)被個(gè)人修改?！?/p>

一旦大流行病來(lái)襲，Poor意識(shí)到他的模型可以應(yīng)用于COVID-19。

“接觸追蹤和社交距離被流行病學(xué)家所知是有效的，所以我們不會(huì)試圖證明它們的有效性，”Poor說(shuō)?！拔覀儗⒁岢龅氖菍?duì)何時(shí)應(yīng)用這些和其他措施以及對(duì)它們的期望進(jìn)行更精確的理解?！?/p>

HOW THE MODEL WORKS

Poor說(shuō)，當(dāng)人們?cè)谏眢w上相互聯(lián)系時(shí)，他們就會(huì)形成所謂的多層網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以包括家人、同事、同學(xué)或社交媒體朋友。他們，加上他們的熟人，形成不同程度的聯(lián)系，研究人員稱之為層。

研究人員將首先使用C3.ai維護(hù)的一個(gè)綜合數(shù)據(jù)源（稱為數(shù)據(jù)湖）中有關(guān)大流行的數(shù)據(jù)對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模。該數(shù)據(jù)庫(kù)包括目前各國(guó)的COVID-19病例數(shù)、死亡人數(shù)、住院人數(shù)和康復(fù)情況，包括按城市、州、省或縣分列的數(shù)據(jù)。

“這是相當(dāng)廣泛的，包括有關(guān)COVID-19感染者的細(xì)節(jié)，并從全球各種來(lái)源傳播，”Poor說(shuō)。

Poor說(shuō)，這個(gè)模型可以結(jié)合公共衛(wèi)生和醫(yī)療人員在過(guò)去幾個(gè)月里了解到的新型冠狀病毒的傳播特性。當(dāng)傳播者和傳播者之間開始出現(xiàn)“無(wú)癥狀感染者”和“超級(jí)傳播者”時(shí)，不同人群對(duì)病毒反應(yīng)的差異也可以納入模型中，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)一些突變的證據(jù)。

“最近的一些文章似乎暗示突變是一個(gè)因素，”他說(shuō)。“我們需要更仔細(xì)地研究這一點(diǎn)，看看如何利用這些信息?！?/p>

Poor說(shuō)，一旦研究小組有了一個(gè)關(guān)于人們之間如何聯(lián)系以及病毒如何在網(wǎng)絡(luò)中傳播的模型，那么他們就可以開始研究各種干預(yù)措施或行為如何減緩病毒傳播的效果如何了。

他說(shuō)：“一旦我們有了一個(gè)完整的模型，我們就可以修改模型來(lái)考慮干預(yù)措施，看看它們會(huì)如何影響擴(kuò)散?！袄?，就地避難或關(guān)閉學(xué)校會(huì)改變社會(huì)互動(dòng)關(guān)系圖的連通性，而戴口罩則會(huì)改變?cè)诮o定的固定社交互動(dòng)圖中從一個(gè)人傳播到另一個(gè)人的可能性。

“我們想看看這些控制機(jī)制的穩(wěn)定性，因?yàn)樗鼈兊膽?yīng)用總是不完善的。一旦你有了病毒如何傳播的數(shù)學(xué)模型，那么你就可以開始研究用于減緩病毒傳播的各種干預(yù)措施的效果?！?/p>

Poor希望在接下來(lái)的幾個(gè)月內(nèi)看到模型的早期結(jié)果。

他說(shuō)：“與當(dāng)今世界的許多其他緊迫問(wèn)題不同，這是一個(gè)科學(xué)家和工程師能夠真正迅速產(chǎn)生影響的問(wèn)題。我們能做直接關(guān)系到眼前公益的事情，這對(duì)科研企業(yè)來(lái)說(shuō)是件好事?！?/p>