Этот симулятор вспышки предсказал странные повороты в нашем поведении во время пандемии

Задолго до появления COVID операция "Вспышка" началась как образовательное мероприятие для подростков. Какие уроки она преподносит нам сегодня?

Отредактировано 2023-25-06
перчатки таблетки термометры маскиКак приложение для моделирования вспышек может научить нас пандемиям.

В 2018 году в подготовительной школе Военной академии Сарасоты во Флориде произошла вспышка смертельно опасного заболевания. Группы учеников средних классов собрались в костюмах и масках, раздавая лекарства, проверяя состояние здоровья друг друга и иногда перенося зараженных в изолятор на носилках.

Оглядываясь назад, можно сказать, что ситуация была прозорливой, хотя и не совсем реальной. Бегающие вокруг студенты были частью образовательной симуляции на основе приложения, а возбудитель, с которым они имели дело, был виртуальным, распространяющимся через Bluetooth-связь, чувствительную к близости. Все остальные элементы были не более чем реквизитом.

Эта платформа экспериментального образования под названием Operation Outbreak началась как простой план урока Тодда Брауна, бывшего учителя из юго-западной Флориды. Он вспоминает, что все началось в 2015 году с одного вопроса семиклассника. С тех пор она "разрослась до того, что мы делаем сейчас", - говорит Браун.

Вопрос заключался в следующем: Что если бы вирус, подобный вирусу Эбола, пришел в США? Из этого вопроса возникло обсуждение и последующий двухнедельный план урока, в котором подробно рассматривались вопросы о том, кто и за что будет отвечать, откуда поступает финансирование, что будет происходить на местах и как различные группы будут отчитываться друг перед другом. После этого они запустили раннюю аналоговую версию симуляции, в которой вирус распространялся через систему тесного контакта. Они разбили студентов на группы врачей, персонала по сортировке, эпидемиологов, представителей СМИ, правительства и населения в целом.

Затем, в том же году, по своей прихоти, Браун обратился к Пардису Сабети, вычислительному генетику и профессору Гарвардского университета.

Сабети ранее занималась исследованиями инфекционных заболеваний, таких как вирус Эбола. С 2014 по 2016 год она и Андрес Колубри, вычислительный исследователь из ее лаборатории, работали над приложениями, которые могли бы помочь в диагностике, предсказании прогноза и цифровом отслеживании контактов. "Это то, что каждый, кто был во время вспышки заболевания, признал необходимым", - говорит Сабети. "Весь мир пришел к этому во время COVID, [но] мы пришли к этому до и во время Эболы и во время вспышки паротита, потому что нам стало ясно, что болезнь распространяется через контакты".

В то время, когда Сабети узнала о работе Брауна, они с Колубри обсуждали способы получения хороших данных и моделирования различных аспектов вспышки эпидемии. Их привлек проект школьного двора, о котором они узнали от Брауна, потому что они увидели в нем возможность сделать опыт учащихся как можно более увлекательным и гиперреалистичным, а также получить высококачественные данные о том, как реальные люди отреагируют на такие методы смягчения последствий, как вакцинация или карантин. "В тот момент все эти части как бы собрались воедино, и я поняла: подождите, лучше всего смоделировать вспышку", - говорит она. "И лучше всего моделировать ее на телефоне [с помощью приложения], где можно сделать все те элементы, которые сделают симуляцию более реалистичной, и собрать данные".

В конце 2017 года Колубри, Сабети и Браун представили первую версию приложения для смартфонов Operation Outbreak и сопутствующую веб-платформу.

Вот как это работает

Operation Outbreak - это проект, ориентированный на школы и образовательные учреждения. Все участники должны загрузить приложение Operation Outbreak (доступно в магазинах приложений для iOS и Android), чтобы настроить симуляцию.

Хотя Operation Outbreak в основном сотрудничает со школами (которые могут связаться с командой, чтобы получить код для активации приложения), они работают над более децентрализованным подходом, когда любая школа или организация может создать симуляцию и использовать приложение. "Мы сейчас работаем над этим вопросом с точки зрения оптимального уровня контроля, который может понадобиться или не понадобиться", - говорит Киан Сани, руководитель программы Operation Outbreak, которая в настоящее время является информационно-просветительским проектом, осуществляемым Широким институтом Гарварда и Массачусетского технологического института.

Виртуальный возбудитель передается между телефонами через Bluetooth. В приложении каждого пользователя будет отображаться аватар, показывающий состояние его здоровья (изображенный в виде эмодзи со счастливым лицом или эмодзи с больным лицом). Приложение использует такие программы, как p2pkit, Herald и Estimote, для определения близости и контакта с соседними устройствами. Оно записывает все взаимодействия между пользователями, находящимися на расстоянии менее 10 футов друг от друга, с разрешением в одну секунду.

Виртуальный патоген может передаваться, если телефон находится рядом с зараженным участником, а вероятность передачи за определенный период времени заранее задается в параметрах симуляции. Приложение также может моделировать эффект от таких вмешательств, как диагностические тесты, вакцины, маски или средства индивидуальной защиты. Студенты получают их, сканируя QR-коды, которые снижают вероятность заражения вирусом. Например, в версии, где активировано бессимптомное распространение, пользователи могут иметь аватары, которые выглядят здоровыми, когда они являются носителями вируса, и они могут узнать, что заражены, только отсканировав QR-код диагностического теста, говорит Сани.

КОВИД-19 фотоУчащиеся подготовительной средней школы Бронкса сканируют маски во время недавней симуляции. Операция "Вспышка

Каждое взаимодействие и контакт, происходящие во время симуляции, записываются на веб-сервер, который можно использовать для наблюдения за происходящим в реальном времени или анализа закономерностей после симуляции (подобно функции "God View" в видеоиграх). Веб-портал также позволяет организаторам получать данные о количестве заболевших и состоянии здоровья каждого участника, а также настраивать различные параметры вспышки, включая количество пользователей, продолжительность, симптомы, время выздоровления, передаваемость вируса, выделение денег и ресурсов и многое другое. Это создает микрокосм, где государственная политика, экономика и личные решения играют в рамках технологии.

"С каждой вспышкой [симуляции] появлялось все больше идей, необходимых для реагирования в реальном мире", - говорит Сабети. "По сути, эти вспышки могли имитировать все, что вы можете испытать: от напряженности в полиции до недоверия правительства, от паспортов с вакциной до людей, обманывающих систему".

Хотя команда все еще проводит моделирование пандемии COVID, некоторые из шокирующе важных выводов, которые они заметили, были сделаны в ходе испытаний, проведенных в 2018 и начале 2019 года. Например, в одном из этих испытаний, предшествовавших COVID, участники, которым были отведены правительственные роли, решили солгать населению, чтобы заставить его делать определенные вещи. Затем осведомитель просочился в СМИ, которые сообщили об этом населению.

"Все пошло наперекосяк", - говорит Браун. "Это были маленькие дети, у которых мы наблюдали подобное поведение".

В другом случае детям запрещали посещать места по состоянию здоровья. "Всегда есть люди, которые не хотят подчиняться правилам, чтобы получить то, что они хотят, как индивидуум. Поэтому они делали скриншот с эмодзи "здоров", чтобы подделать паспорт и пройти в определенные зоны".

В симуляцию также встроена финансовая система, которая может рандомизировать количество денег, которые семьи получали для оказания помощи, и богатство распределялось неравномерно. В этих сценариях, хотя некоторые люди с "гротескными" суммами денег решили помочь тем, у кого их не было, были и такие, кто использовал свой дополнительный капитал, чтобы скупить такие предметы, как маски, и попытаться перепродать их по более высокой цене, хотя "в конце вы ничего не получили за то, что были богаты", - отмечает Браун.

"Наблюдать за некоторыми из этих вещей, за тем, как люди протестуют против решений правительства, как люди злятся друг на друга... Это было сюрреалистично", - говорит Браун. Он видит некую "космическую странность" в том, как с тех пор все выровнялось между симуляцией и реальной жизнью. За год до того, как в США было объявлено чрезвычайное положение, команда написала в журнале Wired в 2019 году статью о том, почему не стоит ждать пандемии, чтобы подготовить людей к тому, как могут развиваться события. В том же году они начали проводить версию вируса, вдохновленного атипичной пневмонией, который распространялся бессимптомно, чтобы сделать его сложным для участников. Во время пандемии COVID бывшие студенты даже писали ему по электронной почте о том, как странно, что взрослые вели себя почти так же, как они в средней школе. Это было очень похоже на "Сумеречную зону", - говорит Браун.

Первоначально целью студентов в симуляции было выжить. Но они тестировали другие показатели для победы группы, такие как конкретный процент выживания. "Я думаю, это меняется с некоторыми новыми дополнениями к приложению - стратегиями вакцинации и маскировки", - говорит Браун. В недавнем проекте 2021 года, проведенном совместно с Университетом Бригама Янга, они даже использовали симуляцию для изучения идей по стимулированию большего количества вакцинаций.

Модели для реальных пандемий

Помимо использования этой технологии для создания более захватывающей обстановки для студентов, команда Operation Outbreak надеется, что данные симуляции помогут создать более точные модели прогнозирования развития пандемий в реальной жизни. Команда уже опубликовала некоторые предварительные выводы по этому вопросу в комментарии Cell и препринте на medRxiv.

Одним из преимуществ является то, что эти имитационные пандемии позволяют исследователям группы полностью отобразить все происходящее - кто кого заразил, - что трудно отследить в реальной вспышке. "Во время реальной вспышки у нас всегда неполный взгляд на вещи. Нам нужно проверить всех, а это невозможно сделать", - говорит Колубри. "С данными, полученными в результате моделирования, у нас есть преимущество - мы получаем данные из первоисточника, своего рода ответ на то, что произошло".

Затем они могут использовать эти данные, чтобы сделать вывод о том, как группы людей могут взаимодействовать друг с другом и распространять патоген по сообществу, и построить модели риска заражения или новые алгоритмы, которые могут предсказать, что произойдет в реальной вспышке.

Еще одна особенность заключается в том, что при моделировании Operation Outbreak используется человеческий фактор. "Существует целый метод моделирования вспышек с использованием агент-ориентированных моделей, что по сути похоже на моделирование Sim City, где компьютер моделирует каждого агента", - говорит Колубри. "Но здесь отдельные люди - это реальные люди, которые могут делать то, чего вы не ожидали. Этот элемент непредсказуемого поведения, который мы имеем в этой симуляции, отличает ее от других моделей, где все уже запрограммировано в системе".

Отсюда следует, что существует множество привлекательных возможностей для такого рода исследований, хотя на данный момент большая их часть остается умозрительной. Например, операцию "Вспышка" можно использовать в качестве испытательного полигона для опробования государственной политики или методов вмешательства. В качестве альтернативы, они могут использовать полученные в результате симуляции модели в качестве основы для создания калькулятора риска в реальном времени, который может принимать данные от реальных контактов Bluetooth (он может быть похож на систему, которую Apple и Google совместно создадут в апреле 2020 года).

Это не единственная группа, думающая о включении социальных отношений в модели пандемий. Несколько исследовательских групп изучали, как динамика социальных контактов, культурное влияние на поведение и такие факторы, как ограничения и скорость распространения вакцин, могут повлиять на то, как население в целом реагирует на такие возникающие угрозы общественному здоровью.

Ран Сюй, прикладной статистик и доцент Университета Коннектикута, который не участвовал в операции "Вспышка", говорит, что он видит ценность в таких имитационных упражнениях.

"Симуляторы болезней широко используются при планировании политики и в образовательных целях", - говорит он. "Этот вариант кажется особенно интересным, поскольку пользователи могут сыграть свою роль во время вспышки заболевания и увидеть, как их поведение влияет на передачу болезни. Во многих статьях отмечается важная роль человеческого поведения в эпидемиологии". В прошлом месяце он и его коллеги опубликовали работу в журнале PLOS Computational Biology, в которой показали, что подробное описание того, как болезнь влияет на поведение и наоборот, важно для построения лучших моделей прогнозирования пандемий. Однако, по его словам, любые поведенческие идеи должны быть более тщательно проверены впоследствии на реальных данных.

Следует учитывать и некоторые ограничения. "Это может не полностью отражать то, что произойдет во время следующей вспышки болезни, в зависимости от того, насколько серьезно люди будут играть в это", - отмечает Сюй. "Но это относится к любой симуляции".

Перспективы вспышек

Помимо операции "Вспышка", Сабети работает над рядом других проектов, связанных с пандемией, большинство из которых сходятся на пересечении генетики, эпидемиологии и технологий. Отдельно Сабети и ее коллеги работают над приложением для отслеживания симптомов COVID-инфекции под названием Scout, которое они тестировали в Университете Колорадо Меса.

Сабети считает, что цифровые платформы, позволяющие отслеживать контакты, контролировать состояние здоровья и отслеживать вирусы, будут иметь решающее значение для сдерживания и управления распространением новых инфекций. Но проблемы конфиденциальности остаются препятствием. "Меня поражает то, что во время таких вспышек все так волнуются за свою конфиденциальность", - говорит она. "Мы на TikTok делимся всеми своими личными мыслями. Но почему-то данные, которые могут спасти вас от смертельного вируса, вы хотите защитить".

"Отсутствие доверия настолько велико, и оно стало намного хуже за все это время", - добавляет Сабети. "Это безумие, как много нам предстоит преодолеть, чтобы дойти до того момента, когда это будет работать и эти технологии [такие как отслеживание контактов и приложения для мониторинга здоровья] не будут пугать людей".

По оценкам Сабети, она тратит больше времени на Operation Outbreak, чем на любой другой проект в лаборатории. Это время делится на периоды доработки приложения и разработки планов моделирования, а также на редактирование учебника по науке о вспышках (выход которого ожидается в следующем году). "Это, наверное, самое важное, чем я могла бы заниматься - обучать поколение людей, которые понимают эти технологии и понимают их суть", - говорит она.

Образование, по сути, остается основной миссией операции "Вспышка". "Вы можете возразить, что люди живут в условиях пандемии уже более двух лет, зачем же нам воспроизводить ее с помощью приложения. Ответ заключается в том, что информация, которую мы получаем через новости и социальные сети, часто противоречива, [с] большим количеством дезинформации, что не помогает", - говорит Колубри. "Создавая такие иммерсивные сценарии моделирования, мы могли бы помочь разобраться в том, что произошло".

Цель проекта состоит в том, чтобы не только поднять волнующие вопросы о поведении людей в случае катастрофы, но и подготовить следующее поколение ученых, чиновников общественного здравоохранения и медицинских работников к размышлениям о своей позиции в таких ситуациях, понять, как их роль сочетается с другими частями общества, и осознать, как то, что они делают индивидуально или коллективно, может повлиять на других людей.

"Я спросил у группы учителей: Сколько людей довольны тем, как Соединенные Штаты в целом отреагировали на это? И практически никто не поднял руку", - добавляет Браун. "Как бы изменилась эта пандемия, если бы обычный человек, идущий по улице, немного лучше понимал науку о вспышках, осведомленность и ответные меры? Каковы были бы результаты на данном этапе по сравнению с тем, какими они были в действительности?".

Фактор "сопереживания

Ключевым компонентом этой симуляции является упражнение "После разрыва", которое Браун включил в начало программы, чтобы дать студентам возможность поразмышлять о том, почему они или другие действовали так или иначе, и обсудить, были ли их решения наилучшими для них самих или для всех в группе.

"У нас были ситуации, в которых общение, доверие правительства, вера или понимание основных научных принципов - эти вещи, как мы видим, всегда находятся в нижней части цепочки принятия решений. Из-за этого изменилось поведение людей", - говорит Браун. "Но дети учатся. Они понимают, что это, вероятно, не лучший способ сделать что-то".

Часто в результате повторных запусков ученики становятся более внимательными, учатся сотрудничать, доносить свои потребности и, в конечном итоге, лучше справляются с задачей победить патоген.

"Что интересно, так это то, что это дает студентам возможность сопереживать обстоятельствам, в которых находится кто-то другой, в ситуации, которая не является очень напряженной и нестабильной", - добавляет Сабети.

Исследователи, стоящие за проектом Operation Outbreak, подчеркивают настоятельную необходимость надлежащего информирования молодого поколения о том, как ориентироваться и реагировать на эти стрессовые и хаотичные чрезвычайные ситуации в области глобального здравоохранения, чего не хватает в большинстве школьных программ, тем более что, согласно статистике, вспышки, подобные COVID, будут становиться все более распространенными и более серьезными.

COVID, против которого существуют эффективные вакцины, уже убил более миллиона человек в США. Но, как ни удивительно, это все еще не тот вирус, который Сабети считает "большим".

"Это очень страшное время", - говорит Сабети. "Что мы делаем, если мы действительно получим что-то такое "большое", что может мгновенно убить любого из нас во всех возрастах? Как все это будет происходить?"