2022年8月16日

在大学校园部署疫情模拟应用程序，揭示了隐藏的传播途径

2016年，佛罗里达州的一群中学生参加了一节关于传染病爆发的互动课，他们交换贴纸来模拟病毒传播。这个练习是由他们的老师托德·布朗(Todd Brown)与计算遗传学家、麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所(Broad institute)成员帕迪斯·萨贝蒂(Pardis Sabeti)合作设计的，后来演变成一种完全沉浸式的体验，叫做操作爆发它使用基于蓝牙的移动应用程序来模拟病原体在单个参与者手机之间的传播。全国50多所学校已经使用这款应用，以及配套的教学计划和教科书，在校园范围内进行疫情模拟，并向学生教授疫情的科学知识。

“移动应用程序在教育和研究方面都有巨大的潜力，”Andrés Colubri说，他作为Sabeti实验室的计算研究员开发了这款应用程序，现在是马萨诸塞大学医学院的教授。“模拟游戏可以是高度沉浸式的、交互式的和现实的，并且能够生成丰富的数据集来研究复杂的动力系统，例如传染病爆发期间的人口。”

这款应用经过多年的发展，包含了许多逼真的功能。用户可以扫描二维码，使用疫苗、诊断测试、口罩或防护服等干预措施。然后，该应用程序记录数据，包括病例编号和参与者之间互动的时间、距离和持续时间，研究人员可以使用这些数据来绘制病毒的传播方式。该应用程序还会跟踪感染者接触过的人，包括直接接触者(一级接触者)和他们的接触者(二级接触者)。

Colubri和他的团队继续开发更真实的新版本的应用程序，并为科学家生成更多的信息，比如用户之间每次接触的时间和他们之间的距离，或者病原体在人与人之间传播时的进化基因组序列。

Sabeti说:“我们可以非常现实地模拟病原体传播的许多方面，我们的工具可以减轻它，我们正在不断努力提高体验的沉浸性和真实感。”“学生不应该等到真正爆发疫情时才明白疫情会如何发展。”

最近发表在模式，该团队描述了科罗拉多梅萨大学(CMU)和杨百翰大学(BYU)的操作爆发模拟的结果。他们发现，两个校园的参与者与受感染学生的接触明显多于他们单独接触的一级接触者。他们还建了一个流行病学模型他们从数据中发现，在社会活动增加期间增加检测和接种疫苗大大减少了病例数。

“在这些模拟中，我们努力全面模拟真实世界疫情的关键技术和社会行为方面，并鼓励参与者创造性地和战略性地思考如何分配资源，”疫情行动的项目经理Kian Sani说。“通过观察学生们如何努力减轻和控制这些模拟的公共卫生突发事件，我们学到了很多东西。”

Bryn Loftness是Sabeti实验室的访问研究生研究员，他作为CMU的本科生帮助部署了“爆发行动”，Ivan Specht是哈佛大学Sabeti实验室的本科生研究员，也是这项研究的第一作者，我们坐下来了解更多关于如何进行的大学生使用过这个应用程序，以及团队从校园部署中学到了什么。以下采访经过编辑，以保证篇幅和清晰度。

您从CMU和杨百翰大学的“爆发行动”部署中学到的最大教训是什么?

BL:我和其他许多学生都获得了对一个人可能拥有的巨大的二度或三度接触的更深层次的理解。你可能期望你有三个一级联系人，但实际上，你的二级联系人可能多达50或80个。在这次大流行期间，我们也明白了这一点。更好地理解这些真实的统计数据—我认为这是任何人都可以从部署中获得的有价值的见解。

是什么让这款应用成为收集数据的好方法?

BL:这个应用程序是可访问和可扩展的，因为它基本上可以被任何人使用，而且是匿名的，因此我们可以招募参与者并跟踪他们的行动，而不需要从他们那里获取任何私人数据，如他们的实际位置或他们是谁。

IS:这款应用与其他联系追踪应用真正不同的一点是它具有教育意义。我认为，如果人们确实能从应用中获得一些东西，而不是一直在手机后台运行一些东西，那么他们使用应用时就不会那么犹豫了。

图片来源:麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所

学生对使用“爆发操作”有何反应?

BL:总体来说，这是非常积极的。该应用程序非常灵活，学生可以根据自己的参与程度以不同的方式与它互动。真正有动力的学生能够利用该程序的更多功能，如互动测验和二维码干预，而其他学生只是下载它并在后台运行。

IS:在杨百翰大学，这种模拟鼓励学生参与疫情科学项目的程度令人鼓舞。学生们成立了一个行动爆发俱乐部，并建立了一个网站，以帮助促进模拟。在我们从模拟中收集数据后，团队中的一些人帮助我们进行了一些分析，我非常兴奋地看到他们是多么渴望参与这种学习方式。

校园如何使用他们从应用程序中学到的东西?

BL:如果你允许学生领导这样的模拟，并收集诸如学生平均拥有多少第一和第二层次的联系人等信息，你将能够基于这些信息实施政策。我们鼓励学生帮助我们了解学生，同时也帮助这些学生了解他们自己。如果一个参与者知道他们有三个一级接触者，但有126个二级接触者，就像我们在杨百翰大学观察到的那样，他们可能会改变自己的行为，而不需要任何校园协议的改变。

你希望在应用程序的未来迭代中包括什么?

BL:在我们对“爆发行动”进行的每次模拟之后，我们都会收到反馈并做出更改。例如，在CMU和杨百大的模拟之间，有一个完整的迭代，使它成为一个更好的应用程序。看到有多少人在系统上投入时间真的很有趣，这是真正使Operation Outbreak如此动态的原因。

IS:现在，“爆发行动”假设有一种病原体没有变异，并且具有一定的传染性。我非常希望包含一个非常详细的突变模型，以便“爆发操作”可以生成看起来与实际爆发数据相同的数据。我们现在正在努力把可能进一步影响人们行为的东西包括进来，比如一个决定谁可以获得疫苗和诊断测试等东西的完整经济模型。

我们的最终目标是创建一个仿真软件，任何人都可以轻松地使用它来协调模拟，只要他们想。我们设想在每个学校至少部署一次“爆发行动”的世界，因为我们认为各地的儿童都应该至少获得某种程度的爆发科学教育。

参与"爆发行动"是什么感觉?

BL:我通过这个项目与Sabeti实验室有了联系。从那以后，我参与了各种数字流行病学项目。这是一个非常好的机会，不仅可以从管理方面参与OO，还可以激励人们更多地参与，帮助评估模拟的结果，观看热情的学生组成俱乐部和小组，并对病毒在聚集环境中的传播进行更多的研究。

IS:这个项目是我前进的动力。它在很大程度上塑造了我想在实验室里做的事情的轨迹。这让我感觉自己与正在尝试“疫情爆发行动”的社区以及受疫情影响的社区有着密切的联系。

从数据科学的角度来看，它还向我亲身展示了疫情在纸上的实际样子，以及如何使用它为疫情建模。真的没有任何平台能够像“疫情行动”那样了解疫情的真相——你实际上知道谁感染了谁，这为我们提供了一种理解疫情的方式，而这是通过观察在不同时间对真实病毒检测呈阳性的大量数据集无法得到的。这个框架绝对影响了我的工作爆发科学和流行病学的日常。