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8/24/2010 1 Guillermo Abramson Grupo de Física Estadística e Interdisciplinaria Centro Atómico Bariloche, Instituto Balseiro, CONICET ¡este es el resumen! En este curso veremos tópicos del modelado matemático de la propagación de enfermedades infecciosas. Inicialmente exploraremos la dinámica de los modelos básicos, de tipo campo medio, correspondientes a poblaciones bien mezcladas y sin extensión espacial. Discutiremos las diversas hipótesis de estos modelos y la posibilidad de relajarlas para abarcar sistemas más realistas. En este contexto veremos a continuación sistemas con extensión espacial en los cuales se forman y propagan ondas epidémicas. Asimismo estudiaremos sistemas en los que la infección sigue un curso realista de evolución en el huésped, determinado por tiempos de recuperación e inmunidad con un comportamiento no trivial. Posteriormente analizaremos las herramientas básicas de dos tópicos avanzados: la propagación de epidemias en redes complejas, y los fenómenos que se originan por efectos estocásticos en sistemas discretos. Las clases contendrán también algunos aspectos históricos de la epidemiología matemática, y pondremos énfasis en las conclusiones generales que surgen de la aplicación de las técnicas de la física estadística en esta área interdisciplinaria. Para seguir los desarrollos matemáticos se requieren conocimientos básicos de análisis y de la teoría de sistemas dinámicos (ecuaciones diferenciales, equilibrios, estabilidad), así como de probabilidad. Algunos temas involucran el análisis de procesos estocásticos, pero se mantendrá el nivel de detalles en un mínimo suficiente para explicar los conceptos, y al alcance de la audiencia prevista.

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8/24/2010

1

Guillermo AbramsonGrupo de Física Estadística e Interdisciplinaria

Centro Atómico Bariloche, Instituto Balseiro, CONICET

¡este es el

resumen!En este curso veremos tópicos del modelado matemático de la propagación de

enfermedades infecciosas. Inicialmente exploraremos la dinámica de los modelos

básicos, de tipo campo medio, correspondientes a poblaciones bien mezcladas y sin

extensión espacial. Discutiremos las diversas hipótesis de estos modelos y la posibilidad

de relajarlas para abarcar sistemas más realistas.

En este contexto veremos a continuación sistemas con extensión espacial en los cuales

se forman y propagan ondas epidémicas. Asimismo estudiaremos sistemas en los que la

infección sigue un curso realista de evolución en el huésped, determinado por tiempos

de recuperación e inmunidad con un comportamiento no trivial.

Posteriormente analizaremos las herramientas básicas de dos tópicos avanzados: la

propagación de epidemias en redes complejas, y los fenómenos que se originan por

efectos estocásticos en sistemas discretos.

Las clases contendrán también algunos aspectos históricos de la epidemiología

matemática, y pondremos énfasis en las conclusiones generales que surgen de la

aplicación de las técnicas de la física estadística en esta área interdisciplinaria. Para

seguir los desarrollos matemáticos se requieren conocimientos básicos de análisis y de

la teoría de sistemas dinámicos (ecuaciones diferenciales, equilibrios, estabilidad), así

como de probabilidad. Algunos temas involucran el análisis de procesos estocásticos,

pero se mantendrá el nivel de detalles en un mínimo suficiente para explicar los

conceptos, y al alcance de la audiencia prevista.

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2

Los que están familiarizados con la cotidianeidad, la

complicación y muchas veces la tragedia de las

enfermedades infecciosas suelen pensar: ¿No son

estos modelos simplificados en extremo?

Primero y principal: Los modelos matemáticos no son

más (ni menos) que herramientas para pensar en las

cosas de manera precisa y sistemática.

modelo =

mecanismo

dinámico

Para comprender de los aspectos esenciales de la interacción con el agente infeccioso

Para sugerir qué datos se necesitan recolectar para monitoreo y control

Para proveer un marco teórico para realizar experimentos virtuales

Para tener un punto de partida para agregar complicaciones realistas

Nunca he visto un problema, por complicado que sea, Nunca he visto un problema, por complicado que sea,

que visto de la manera adecuada no se vuelva más que visto de la manera adecuada no se vuelva más

complicado.complicado.

Poul AndersonPoul Anderson

modelo =

mecanismo

dinámico

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Las EPIDEMIAS tienen muchos de los ingredientes que

participan en lo que vagamente reconocemos como

SISTEMAS COMPLEJOS

• Poblaciones de por lo menos dos especies

• Varios tipos de interacción, plagadas de detalles

• Emergencia de comportamientos no obvios a partir de la dinámica

microscópica de la enfermedad

• Muchos otros agentes: vectores, vacunación, salud pública,

geografía, comportamiento social…

Afortunadamente, como en la Mecánica Estadística, en muchas

situaciones la mayoría de los grados de libertad, y de los detalles,

pueden ser eliminados por promedios, y los modelos sencillos,

de baja dimensión, aportan una comprensión de los fenómenos.

Proc. of the Royal Society of London, 93A, 225-240 (1917)

Sir Ronald Ross

(1857-1932)

La “Patometría”

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4

Todos los gatos en la misma bolsa: modelos básicos,

modelos con delays.

¿De dónde vienen las epidemias?: modelos

extendidos espacialmente, ondas epidémicas.

El rol constructivo del desorden: modelos en redes

complejas y modelos estocásticos.

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Modelo SIR

William Kermack (1898-1970)

Anderson McKendrick (1876-1943)

S I Rcontagio recuperación

(o muerte)

susceptibles infectados recuperados

removidos

Kermack & McKendrick, A Contribution to the Mathematical Theory of Epidemics, Proc. Roy. Soc. Lond. 115A, 700-721 (1927).

S: susceptibles (pueden infectarse)

I: infectados (e infecciosos)

R: removidos (inmunes, o aislados,

o muertos…)

S →→→→ I →→→→ R

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Progreso de una epidemia SIR sencilla

Infección!

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7

La epidemia comienza a crecer…

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Balance de nuevos infectados y removidos

Máximo de prevalencia

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9

La epidemia declina…

La epidemia declina…

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La epidemia declina…

Fin de la epidemia

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Gente no afectada por la epidemia!

S(t), I(t), R(t): número (o densidades) de cada clase

Supongamos que:

La población no está extendida espacialmente

+

La población está “bien mezclada”

+

Otras suposiciones (más adelante…)

=

Modelo tipo mean field (campo medio)

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El número de infectados aumenta a una tasa

proporcional al número de infectados y al número de

susceptibles: r S(t) I(t)

El número de susceptibles disminuye con la misma tasa

Tasa de infección: r > 0

La tasa de remoción de infectados es proporcional al

número de infectados solamente: a I(t)

El número de removidos aumenta a la misma tasa

Tasa de remoción: a > 0

El tiempo de incubación es despreciable: un susceptible,

cuando se infecta, inmediatamente se vuelve infeccioso

Ecuaciones “de reacción” del modelo SIR

(campo medio, bien mezclado)

τ = 1/a: tiempo de

infección

(guardar)

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¿Cuáles son las cuestiones importantes a

analizar?

Dados r, a, S0 e I0, si la infección se propaga o no.

Si se propaga, cómo es su evolución temporal, y

cuándo empieza a decaer.

A tiempo cero:

≡>>

≡<<−=

= ρ

ρ

r

aS

r

aS

arSIdt

dI

t0

0

000 0

0)(

FENÓMENO DE UMBRAL

a

arSR

1

1

00 =ρ

ρ Tasa de remoción relativa

Tasa de contacto

Tasa reproductiva básica

Período medio de infección

dS/dt<0 ∀t

⇒S<S0 ⇒ S<ρ⇒ I decrece

←←←← I crece

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Tasa reproductiva de la infección

epidemia

S I R

R0 > 1

tiempo

S I R

brote

R0 < 1

tiempo

ρρ

ρ

ρ))((

0)(

0

0

)( ∞−−∞−

==∞⇒

=⇒−=

SNR

R

eSeSS

eSSS

dR

dS

De las ecuaciones de S y de R:

La infección se extingue por falta de

infectados, no por falta de susceptibles.

Una parte de la población permanece

susceptible.SIR - Sinf.nb

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poco peligro peligro epidemia

↓ tasa de remoción relativa

Trayectorias en el plano de fases

Si la densidad de

susceptibles es grande y la

tasa de remoción es

pequeña (por ignorancia,

insalubridad, etc) , el

peligro de epidemia es

grande…

¿Cómo reducir S por

debajo de ρ? Vacunando…

( )ρReSRNaSRNaaIdt

dR −−−=−−== 0)(

chico es si2

12

200

0 ρρρ

RRS

RS

SNa

−+−≈

−+

−=⇒ φααρ

ρ2

tanh1)( 0

0

2 atS

StR

−≈ φαραt

a

S

a

dt

dR

2sech

22

0

22Tasa de

remoción:

3 parámetros

En la vida real puede ser difícil medir I(t), y puede ser más facil contar a los

removidos (o a los muertos):

(la epidemia

no es muy

grande)

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Peste de Bombay 1905-1906

• datos

o modelo SIR

(K&MK, 1927)

Gripe en una escuela internada,

Inglaterra 1978

• datos

- modelo SIR (int. numérica)

SIR en el mundo real…

Muertes por peste en Londres

(años seleccionados)

(De acuerdo a los Bills of Mortality)

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Factores que afectan el desarrollo de la epidemia...

…si hay más gente……si hay más gente…

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…si la densidad de población es …si la densidad de población es mayor…mayor…

…si la enfermedad es distinta……si la enfermedad es distinta…

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…si hay gente vacunada……si hay gente vacunada…

S I R

nacimientos

contagio recuperación

pérdida de la inmunidad

muertes adicionales

muertes muertes

Extensiones: modelo SIRS con demografía…

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Complicaciones: secuencia de eventos en una enfermedad infecciosa simple...

período de incubación

momento momento

de la de la

infeccióninfección

tiempoperíodo infecciosolatencia

síntomas

Más complicaciones…

Efecto de la edad (en la susceptibilidad y la infectividad)

Vacunación

Tratamiento

Respuesta inmune

Extensión geográfica

Estructura social…

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Sífilis (~11 años!!!)N.C. Grassly & al. Nature 433, 417 (2005)Tos convulsa (~4 años) (Anderson & May)

Sarampión (~2 años) (Anderson & May)

infradianos

• Sistemas sin tasas constantes (delays)

• Sistemas extendidos en el espacio

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Suposiciones fuertes

El contagio y la recuperación ocurren a tasa constante

La población está concentrada en el espacio

La población está “bien mezclada” (mean field)

Las poblaciones varían suavemente (diferencial)

)()()(

)()()()(

)()()()(

trtidt

tdr

tititsdt

tdi

trtitsdt

tds

ργ

γβ

ρβ

−+=

−+=

+−=

S

I

R

S

¡contagio!

recuperación a tasa constante γ

pérdida de inmunidad a tasa constante ρ

S

I

R

S

¡contagio!

recuperación a tiempo τi

pérdida de inmunidad a

tiempo τr

¡Dinámica no local en el tiempo!

“The recovery rate is usually treated as a constant γ, in

which case the average duration of infectiousness is τi

= 1/γ. While this assumption is mathematically

convenient, it is rarely realistic. More commonly

recovery may be after some defined period of time τi ,

has elapsed.”

May & Anderson

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1)()()(

)(1

)(1)(

)(1

)()()(

)(1

)()()(

=++

−+=

−+=

+−=

trtits

trtidt

tdr

tititsdt

tdi

trtitsdt

tds

ri

i

r

ττ

τβ

τβ

ri

i

ri

s

ττ

βτ**

1*

=

=

+

+−−=

rri

i

τττβτλ 11

2

1

puntos fijos

estabilidad

¡Oscilaciones siempreamortiguadas!

)()()()()(

)()()()()(

ii

riri

titstitsdt

tdi

titstitsdt

tds

ττββ

ττττββ

−−−+=

−−−−+−=

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Transición en el comportamiento epidémico Transición en el comportamiento epidémico

¡por efecto de la ¡por efecto de la historia naturalhistoria natural de la infección!de la infección!

razón entre tiempo de inmunidad y tiempo de infección

tasa

re

pro

du

ctiv

a d

e l

a i

nfe

cció

n

oscilaciones

no oscilaciones

am

plitu

d

0

1*;

1*

βτβτ

βτ−== i

i

is puntos fijos: los mismos que sin delay

0)]1(*)1(*[ 02 =−−−+ −− λτλτβλλ eies iecuación

característica

trascendente

Re λ

Im λ

inestabilidad oscilaciones

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individuos que se infectan

a tiempo u y se curan

hasta a tiempo t

dvvtHduuvGuiustitsdt

tds

duutGuiustitsdt

tdi

t v

t

)()()()()()()(

)()()()()()(

0 0

0

−+−=

−−+=

∫ ∫

ββ

ββ

G(t): distribución de probabilidad de perder la infección a tiempo t( G(t) = δ(t − τi) es el caso de τi fijo )

H(t): para la pérdida de inmunidad

individuos que primero se infectaron, luego se

van curando hasta tiempo v, y luego van

perdiendo la inmunidad hasta tiempo t

∫−

−=+

+=

0

0

)()()()(

)()()(

2

1

τ

τ

τ

β

βt

t

t

t

duuiusctits

duuiusctii

sumo sobre todos los que se infectan

entre tiempo t − τi y t. ¡Los que se

infectaron antes ya se curaron!

tasas

constantes

( p = 1 )

tiempos

fijos

( p → ∞ )

G(τ

)

probabilidad de recuperarse a tiempo τ

S. Gonçalves,

G. Abramson, M. Gomes

(2009)

Tiempo

Infe

cta

dos

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regiones de

oscilación para

cada p

Del análisis de estabilidad lineal… Período de las oscilaciones

(lineales)

riT ττ 243 +=

riT ττ += 43

↓ R0

(la ecuación característica no sólo es trascendente

sino que además es integral…)

(en el umbral de las oscilaciones)

R0 = f (período epidémico, tiempo de infección)

Gripe: T = 365 días, τi = 10 días ⇒ R0min ≈ 1.1 (~1.4 según Hethcote)

con τr = 180 días ⇒ 1.2<R0<2.4 y 188<T<342 si p=10 (ancha)

190<T<360 si p=30 (angosta)

Sífilis: T = 11 años, τi = 6 meses ⇒ R0min ≈ 1.2 y τr ≈ 6 años

(R0~3 según Grassly, da τr aún más largo, compatible con la sífilis)

Tos convulsa: T = 4 años, τi = 30-60 días ⇒ R0min ≈ 1.1 (< 3~10, Hethcote)

pe

ríod

o

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¿De dónde vienen las epidemias?

¿Cómo se propagan en el espacio?

¿Cómo se propagan en la sociedad?

IDaIrISt

I

SDrISt

S

2

2

∇+−=∂∂

∇+−=∂∂

Modelo SI.

Transporte de tipo difusivo

(o una retícula con

contactos entre los

vecinos…)

1D y

reescaleando

λ = a/rS0

reacción-

difusión

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SDSSt

S 2)1( ∇+−=∂∂

Un caso más sencillo: dinámica logística más

difusión:

Ronald Fisher

(1937)

difusión“reacción”

no lineal

Existen soluciones de esta ecuación en forma de ondas

viajeras que se propagan a velocidad constante.

S

I

onda epidémica…

Buscamos soluciones del tipo:

Ansatz de onda viajera: z = x – c t

0)('''

0'''

=−++=−+

λSIcII

IScSS(4o orden)

Simplificación: linealizar la ecuación de I en el frente de la onda…

ONDAS EPIDÉMICAS

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0)1(''' ≈−++ λIcIIz

cc

ezI 2

)1(42

)(λ−−±−

1,12 <−≥ λλc

Densidad mínima crítica de susceptibles Sc=a/r

Tasa de contagio crítica: rc=a/S0

Mortalidad crítica máxima: ac=rS0

Si λ>1 no hay ondas, el

brote se autoconfina y

se extingue

Reducir S0 (vacunación)

Reducir el contagio (aislamiento, tratamiento,…)

linealización…

La Peste Negra (1347-1351)

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30

Propagación de la Peste Bubónica en Europa

Mortalidad

1/3 a 2/3 de la población de Europa

25 millones de personas

25% de los pueblos desaparecieron

Italia: 50% o más de la población

Inglaterra: 70% de la población

Hamburgo: 60% de la población

China: desde ~1330

2/3 de la población

25 millones de personas (prov. de Hubei, 5 millones,

el 90% de la población)

Representaciones artísticas de la época

FlagelantesDanza macabra

Bioseguridad Nivel 4

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La Gran Plaga de Londres (1665-1666)

Mortalidad:

100 mil personas

1/5 de la población de Londres

Primeros casos en el

invierno de 1664-1665. En

la primavera de 1665

escapó de control.

La Gran Plaga de Londres

Isaac Newton

(1642-1727)

Woolsthorpe-by-Colsterworth

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John Graunt

(1620-1674)

Los “Bills of Mortality” (1662)

Expectativa de vida en Londres: 27 años

65% morían antes de los 16 años de edad

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33

Distribución mundial de peste (1998)

(CDC)

Recurrencias:

• Gran Plaga de Islandia (1402–1404)

• Plaga de Londres (1592–1594)

• Gran Plaga de Milán (1629–1631)

• Gran Plaga de Sevilla (1649)

• Gran Plaga de Londres (1664–1665)

• Gran Plaga de Viena (1679–1680s)

• Gran Plaga de Marsellas (1720–1722)

• Rebelión de la Plaga, Moscú (1771)

• Tercera Pandemia, originada en China

(1855–1950s)

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• Epidemias en redes complejas

• Epidemias estocásticas

Suposiciones fuertes

El contagio y la recuperación ocurren a tasa constante

La población está concentrada en el espacio

La población está “bien mezclada” (mean field)

Las poblaciones varían suavemente (diferencial)

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Propagación tradicional

• Población bien mezclada

• Difusión

• Redes regulares

¿Y sistemas con una estructura?

• Redes complejas

Transición:

epidemia ↔ no epidemia

RedesRedes complejascomplejas

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36

Redes Small World

Watts & Strogatz

Interpolan con un parámetro entre

las redes regulares y las random

Redes Small World

Watts & Strogatz

Interpolan con un parámetro entre

las redes regulares y las random

Redes Scale-Free

Albert & Barabási

Gran heterogeneidad de la

estructura de conectividades

Redes Scale-Free

Albert & Barabási

Gran heterogeneidad de la

estructura de conectividades

• Longitud de caminos corta

(como en grafos random)

• Elevada clusterización

(como en redes regulares)

• Longitud de caminos corta

(como en grafos random)

• Conectividad muy heterogénea(distribución de grados P(k) ~ k −3)

• Contagio estocástico (local)

• Ciclo de la enfermedad determinístico

Transición a ondas epidémicas

como función de la estructura

Transición a ondas epidémicas

como función de la estructura

S → I→ R→ Sβ

Red SW

Kuperman & Abramson, PRL (2001)

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8/24/2010

37

A medida que la red se desordena, la dinámica se ordena…

Transición en el comportamiento epidémico ¡por Transición en el comportamiento epidémico ¡por

efecto de la efecto de la topologíatopología del sistema!del sistema!

Abramson & Kuperman, Phys. Rev. Lett. 86, 2909 (2001)

Sincronización

Parámetro de

sincronización:

∑=

=N

j

ti jeN

t1

)(1)( φσ

Fase infecciosa

0 τi τr τ0

desorden

a un valor finito de p

Fase geométrica

0/)1(2 ττπφ −= jj

¿test de Rayleigh?

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8/24/2010

38

Pastor-Satorras & Vespignani, PRL (2001)

Redes regulares:

Valor crítico de un parámetro de infectividad λc

λ< λc la infección desaparece exponencialmente

λ ≥ λc la infección se propaga y persiste

Virus de computadoras:

No hay umbral epidémico

La Internet es scale-free!

Red de Barábasi-Albert

Contagio estocástico don

probabilidad λ

Recuperación estocástica

a tasa constante δ (=1)

¡El umbral es cero!¡El umbral es cero!

¿Relevancia? La red de contactos sexuales

humanos podría tener una estructura libre

de escala

Liljeros et al., Nature (2001)

S→ I→ Sλ δ

menor infectividad

pre

va

len

cia

de

la

in

fecc

ión

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8/24/2010

39

Ecuación para la densidad de nodos infectados de conectividad k

[ ] )()(1)( λρλρρ Θ−+−=

∂∂

tkt

tkk

k

probabilidad de que

un nodo con k links

sea saludable

tasa de

infección

cantidad

de vecinos

probabilidad de

apuntar a un nodo

infectado (?)

Estado estacionario:)(1

)(

λλλλρ

Θ+Θ=k

kk

¿Qué hacemos con Θ?

∑∑

=Θk

k

ssP

kPk

)(

)()(

ρλ

probabilidad de

apuntar a un nodo

infectado

probabilidad de apuntar a un

nodo con s links (por la

conexión preferencial)

apunto a un nodo

infectado con k links

λρρ m

kk ekP /12)( −≈=⇒ ∑

Barabási)-(Albert 2)( 3−= mkkP

sin umbral (λc=0)

…la reducción de la infectividad puede

no erradicar la enfermedad…

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8/24/2010

40

SIR on a networkNewman, PRE (2002)

S→ I→ R

Rate of contacts between individuals: rij

+ Time to remain infected: ττττi→ Probability of transmission: Tij

→ Average in the population: T = <Tij>

initial infection

Bond

percolation

with bond

occupation

T on the

network!

Everything analytical:

Probability that a vertex has degree k: pk

Generating function:

Probability of arriving at a node with degree k, following a

random edge: G1(x)

Probability distribution of “occupied” edges, for a given T:

G0(x;T) = G0(1+(x-1)T)G0(x;T) = G0(1+(x-1)T)

Distribution of the size of outbreaks: H0(x,T)

∑∞

==

00 )(k

kk xpxG

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41

Epidemic

size:

Average

outbreak

size:

well

mixed

Fully mixed model

All outbreaks above the critical point give rise to epidemics

Network model

The probability that an outbreak becomes an epidemic is S(T)

κ/2 :Example kk ekp −−∝

Los procesos “microscópicos” son estocásticos

• ¿Rol de las fluctuaciones?

• ¿Nuevos fenómenos?

Apartamientos de Campo Medio (¿sistemas chicos?)Extinción por fluctuacionesSupresión de la prevalencia por fluctuaciones

¡Oscilaciones! (Solari, McKane…)

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42

Macroscópico / Poblaciones

(suave y determinista)

Microscópico / Individuos

(discreto y estocástico)

NIVELES DE DESCRIPCIÓ

Nde

mo

gra

fía

Mesoscópico(herramientas de la mecánica

estadística)

Nacimientos (competencia indirecta)

S + E → S + S

I + E → I + S

I + E → I + I

Nacimientos (competencia indirecta)

S + E → S + S

I + E → I + S

I + E → I + I

Muerte

S → E

I → E

Muerte

S → E

I → E

Contagio

S + I → I + I

Contagio

S + I → I + I

Competencia directa

S + S → S + E

I + I → I + E

I + I → I + E

S + I → S + E

Competencia directa

S + S → S + E

I + I → I + E

I + I → I + E

S + I → S + E

S: susceptiblesI: infectadosE: recurso compartido (“espacio vacío”)

(Transmission vertica)

rddbbb Kisiiiss ,,,,,, :Tasas 1

tamaño del sistema:Ω = S + I + E

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43

SIMULATIONES PROMEDIADAS, sistemas cada vez menores

extinción porfluctuaciones

• sólo competencia indirecta • sin transmisión vertical

0 100 200 300 400 500 6000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0Ω = 10000

φ(t)

, ψ(t

)

time

1 realización 1 realización determinista 100 realizaciones 100 realizaciones

0 100 200

0.3

0.4

0.5

φ(t)

t

macroscopic 10000 realizations

0 100 200

0.3

0.4

0.5

φ(t)

t

macroscopic 10000 realizations

¿“OSCILLACIONES” ESTOCÁSTICAS?

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44

0 100 200

0.3

0.4

0.5

φ(

t)

t

macroscopic 10000 realizations 1 realization

0 100 200

0.3

0.4

0.5

φ(

t)

t

macroscopic 10000 realizations 1 realization

¡Rol constructivo del ruido! ¡Coherencia a partir de la estocasticidad!

¿“OSCILLACIONES” ESTOCÁSTICAS?

Estocástico:Estocástico:

Oscilaciones Oscilaciones

sostenidas en el sostenidas en el

mismo régimen mismo régimen

¡Efecto constructor ¡Efecto constructor

del ruido!del ruido!

Modelo SI

Determinista:Determinista:

Oscilaciones Oscilaciones

amortiguadasamortiguadas

S. Risau-Gusmán and G. Abramson, Eur. Phys. Jour. B 60, 515-520 (2007).G. Abramson, chapter 6 in Progress in Mathematical Biology Research (Nova Science Publishers 2008).

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8/24/2010

45

Estado del sistema: P(m, n, t)

∑∑ −=kj

kjkj

kjkj nmPnmnmTnmPnmnmTdt

nmdP

,,

),(),|,(),(),|,(),(

transiciones del estado (m,n)transiciones al estado (m,n)

probabilidades de transición

m m+1m-1

n -1

n+1

n

m m+1m-1

n -1

n+1

n

especie A(p. ej. Susceptibles)

especie B(p. ej. Infectados)

ηψξφ

Ω+Ω=

Ω+Ω=

)(

)(

tI

tS

…y desarrollamos la Ecuación Maestra en potencias de 1/Ω

• orden principal: ecuaciones para φ and ψ(ecuaciones macroscópicas)

• segundo orden: ecuación de FP para la distribucíón ξ y η(ensanchamiento de P)

Ansatz:

S(0)=Ωφ(0)

P(n,t)

P(S,0)

Ω1/2ξ

S(t)=Ωφ(t)

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Fluctuaciones para un sistema pequeño (Ω = 20)

(tasa de contagio)

valor medio infectados

varianza de los infected

“OSCILLACIONES” ESTOCÁSTICAS

Caracterización: con el espectro de potencia de las fluctuaciones

Frecuencia: máximo del pico

Calidad:

( )( )

( )

peak peak

peak

SQ

S d

ω ωω

ω ω=∫

1500 1600 1700 1800 1900 20000.01

0.02

(b)

Qi = 2.11, ε = 0.30

bA=b

BA=0.1

dA=0.13, d

B=0.49

p=3.02

n/Ω

t

(a)

0.00 0.03 0.06 0.09024

6

810

S( f )

f

500 600 700 800 900 1000

0.085

0.090

0.095Q

i = 0.25, ε = 1.4

bA=b

BA=0.1

dA=0.05, d

B=0.25

p=2.2

n/Ω

t

0.00 0.03 0.06 0.090

1

2

3

4

S( f )

f

Q = 6.6

Q = 0.79

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47

SISTEMAS DE TAMAÑO FINITO

bs=bis=0.1bii=0.0ds=0.01di=0.4a=0.5

analítico (vK)

Las oscilaciones son evidentes aun para sistemas bastante chicos

¿Cuán buena es la aproximación para sistemas no tan grandes?

• Los modelos matemáticos no son más (ni menos) que

herramientas para pensar en las cosas de manera precisa y

sistemática.

• Las epidemias en el mundo real son fenómenos muy complejos.

• Las epidemias son fenómenos con un umbral.

• Los modelos pueden formularse con menor o mayor

complejidad.

• Aprendan estabilidad lineal.

• Empiecen con modelos simples y su comportamiento

cualitativo

• Los modelos sencillos pueden enmascarar fenómenos

complicados que se manifiestan sólo cuando se relajan algunas

hipótesis.

• La difusión puede crear estructuras espacio-temporales.

• El ruido puede jugar un rol constructivo.

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