<b><FONT color=#05006c size=4>计算和数学流行病学</FONT></b>
<HR width="85%" SIZE=1><FONT><img src="http://www.qiji.cn/images/mathbio_160.jpg"><FONT face=宋体> 【F.S. ROBERTS, RUTGERS大学, <I>Science</I>, Young译】<B>现在科研中引入交叉学科的思想已并非创新了,而是一种必需. 数学作为一门古老却永远充满活力的学科,以其严谨,抽象的特点正渗透到各个其它学科,既扮演着推动者的角色,又从中不断发展自身.——译者</B>
似乎每天都有有关疾病的最新报道, 像可怕的SARS, "疯牛病"和禽流感(avian influenza). 近年, 随着新的疾病, 如西尼罗河病毒, HIV/AIDS, 丙型肝炎, 汉他病毒(Hantaviruses)和莱姆关节炎(Lyme disease伴有疼痛、发热与皮肤红斑), 以及肺结核, 肺炎, 和淋病对抗生素抵抗力的增强等现象的出现, 人们对传染性疾病的兴趣剧增, 数学方法和计算机科学已成为分析传染病传播及控制的重要工具. 计算机科学家,数学家,流行病学家,公共健康专家及生物学家的广泛参与在防治疾病中显得越来越重要. 计算和数学流行病学领域正提供着大量新的有趣的工作机会. 本文将讨论与该领域相关的数学方法, 职业机会, 和Rutgers大学</FONT><a href="http://dimacs.rutgers.edu/" target="_blank" ><FONT face=宋体>离散数学及理论计算机科学中心(DIMACS)</FONT></A><FONT face=宋体>有关项目.
DIMACS是Rutgers大学,普林斯顿大学, AT&T实验室, 贝尔实验室, NEC研究院, Telcordia科技组成的联盟, 还有Avaya实验室, 惠普实验室, IBM实验室, 微软研究院的参与. 该中心是作为国家科学基金(NSF)"科学技术中心"于1989年建立的. DIMACS的研究者及他们的全国和国际的合作伙伴对能应用于重要社会问题的计算机和数学基本方法非常感兴趣. 通过中心的讲座, 专题学术讨论会, 及研究生和博士后训练项目, 它成为了在计算生物领域的先行者之一. 中心将其计算机小组的最强的研究人员的才干集中于分子生物领域的课题.
<B>疾病传染建模</B>
传染病的传播模型可追述到1760年Daniel Bernoulli对天花的分析. 这些模型自二十世纪初以来已得到极大扩展. 从那时起,人们发布了成百上千的数学模型, 并探索细菌,寄生虫和病原体对人群的作用. 这些研究结果突出并形成了众多概念,例如性传播疾病的核心人群. 结果也得出其它明确的概念,如接种免疫法. 在计算工具帮助下, 数学模型提供了更深远的视角,如抗药性, 感染传播率, 疫情趋势和治疗及疫苗效果. 然而, 对于许多疾病来说, 我们还远未了解疾病动力学原理; 很多重要工作还有待完成.
在计算机模拟的协助下, 数学模型对有关复杂生物系统理论的建立和测试非常有用, 这些系统涉及疾病, 数量估计(assessing quantitative conjectures), 参数灵敏度分析, 根据数据估计关键参数等. 在流行病学中建模极为关键,毕竟大多情况下我们是不愿去作实验的.
统计方法很久以来就在流行病学中用以评估偶然性和试图从杂乱事物中寻找联系. 然而, 由于渐增的大量数据, 统计方法在流行病学的地位正在改变. 现代流行病问题的规模和引发的大量数据要求发展新的强而有效的计算方法.
流行病学中有小部分但重要的传统, 即应用差分和微分方程将传染病作为一个动力系统来理解. 然而当今有效的计算方法仍未被系统地应用到这些系统上,也鲜有计算机科学家和数学家投身其中. 并且, 需要有新的计算方法来阐明病毒抵抗力倍增和空间传播的动力学原理, 以及推动早期监测病毒出现和生物恐怖袭击(bioterrorist acts).
概率方法, 特别是随机过程, 也已在流行病模型中发挥重要作用. 模拟复杂空间环境,或大型网络中的随机过程的计算方法, 已经增加了我们能成功模拟的生物相互作用的复杂度. 但是, 还是那样, 少有计算机科学家或数学家来发展这一强大的现代计算方法. 对那些愿意试一试的人来说, 这里确实存在重要的机会.
<B>计算机科学中未开发的资源</B>
大量的方法还未在数学家和计算机科学家群体中引起注意, 这些有潜力的方法对流行病学是相当有用的; 而一些相关的计算机和数学方法也不为流行病学家所知. 比如, 科学许多领域中, 特别是分子生物学, 已大量应用(广义的)离散数学方法. 然而非常接近理论计算机科学的那些方法却仍大量未用于流行病学. 流行病学中日益多用的地理信息系统(GIS)和数据挖掘(data mining), 这为应用离散数学方法提供大量机会.
流行病学对进化的观点的不断扩张的强调引导其极好地运用了离散数学的方法. 为了完全了解如宿主的免疫反应;宿主,寄生虫和带菌者的共同演化;药物反应;及抗生素抵抗力等, 生物学家正逐步采取方法, 如为基因突变(mutation), 自然选择(selection), 人口结构(population structure), 选择性繁殖(selective breeding),和遗传漂变(genetic drift)对传染性生物体及其多样的宿主的进化的影响.
许多目前的种系发生学(phylogenetic)技术得以相当好的发展来解决规范的进化问题. 但传统的二叉树模型, 带少量种类作为叶子, 不足以获得许多病毒"类物种"的本质及像反转录病毒如此高的代替率(substitution rates). 因此数学家和流行病学家间合作发展新的种系发生学方法有望为数学和流行病学带入新的和富有成果的方向.
在DIMACS, 我们研究所有这些方法论和模型学的问题. 在2001年冬, DIMACS的一个小组开始探讨数学和计算机工具是否能为疯牛病或说牛海绵状脑病 (bovino spongiform encephalopathy)带来光明. 讨论很快扩展到数学和计算机科学是否能阐明所有疾病的防治问题. 从而DIMACS的"计算和数学流行病学特别关注"小组就形成了. 2001年9月的恐怖主义袭击和后来的炭疽袭击把我们的注意力从自然发生地疾病提升到有可能由恐怖主义者引发的疾病上.
<B>DIMACS对流行病学的特别关注</B>
DIMACS的这一特别关注目的在于将一些来自数学/计算机科学和生命科学群体出色的初学者(包括学生)引入到计算和数学流行病学的争论,问题和挑战中去. 我们打算发展并加强数学家和生物学家间的合作; 发掘还未广泛用于流行病学的数学方法; 让生物学家和数学家都参与进来,帮助建立议程,发展计算和数学流行病学.
</FONT><CENTER><FONT face=宋体><img src="http://www.qiji.cn/images/dimacs.jpg"></FONT></CENTER>
这一目标已实现. 部分是通过一系列的讲座, 专题学术讨论会和针对博士后,研究生及本科生的训练项目达到的. 这些讲座和专题学术讨论会对外开放,只收取适量的注册费.有时参与者能得到出席所需的费用资助.
DIMACS为计算和数学流行病学研究设有几个博士后奖学金. 研究生可申请资助来访问中心,并在他们逗留期间同中心的一些研究人员交流. 一项NSF支持的针对本科生的夏季研究实验项目也对全美的学生开放.
计算和数学流行病学者的工作机会并不仅限于科研. 逐渐地, 流行病成为各种政府机构感兴趣的问题,不论他们处理的是突发事件预防, 疾病传播与控制(如疾病控制和防治中心或州或本地健康部门), 国防或是农业(随着对农业恐怖及动植物疾病的关注增加). 许多公司现在突发事件处理方案并需要建模专家协助开发这些计划.
处理可能与疾病传播相关的数据是个大工程. 数学流行病学家处理大量数据集, 期望寻找出模式, 逐渐地, 大量地流行病学数据集不再仅仅是健康部门感兴趣的,而且受到医院,保险公司和其他私人组织的关注. 组织,排列和分析健康数据的工作逐渐被政府部门, 健康维持组织(HMOs),及保险公司"外包"(outsourced). 制药企业,当然是治疗疾病的,拥有流行病部也是他们的事务.
<B>需要数学,生物技术,还有合作</B>
想在计算和数学流行病学领域工作,需要什么样的背景呢? 很重要一点, 你得有很强的数学背景,特别是统计,概率,动力系统和离散数学. 那些有数学背景的人很容易学到合适的工具. 如果你是一位对此感兴趣的生物学家, 你可能会觉得转入计算和数学流行病学有点难; 最好的建议是同那些有较强数学背景的人合作.
相似的, 对那些有数学背景的人的最好建议也是同流行病学家合作. 流行病学和公共健康问题愈来愈发展成为交叉学科, 不仅包含数学和生命科学,还含有社会科学. 那些有兴趣进入此领域的人需要适应同混合的,交叉学科的小组合作. 进一步说, 尽管不可能成为所有相关领域的专家, 但是适应这合作并逐渐加入这些小组是成功的关键.
在DIMACS,我们有研究大量流行病学问题的小组,例如接种策略, 不利事件探测,健康数据保密和恐怖事件引发的社会混乱模型等. 小组成员拥有广泛的背景,有时还允许感兴趣的外来人参与. 更多信息可访问<a href="http://dimacs.rutgers.edu/" target="_blank" >DIMACS</A>和<a href="http://dimacs.rutgers.edu/SpecialYears/2002_Epid" target="_blank" >流行病特别关注(epidemiology special focus)</A>.
数学家和计算机科学家能帮助控制SARS或HIV/AIDS的传播吗? 不是孤立无援, 在流行病学,公共健康和社会科学的合作下, 它能起到重要作用. 我们需要更多为此目标实现产生兴趣.
<B>相关网址:</B><a href="http://dimacs.rutgers.edu/" target="_blank" >The Center for Discrete Mathematics and Theoretical Computer Science (DIMACS) at Rutgers University</A>
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