Прогнозирование будущих вспышек инфекционных заболеваний

Машинное обучение может выявлять виды грызунов, которые являются носителями болезней, и географические зоны, уязвимые для новых паразитов и патогенов. Об этом сообщается в новом исследовании в Proceedings of the National Academy of Sciences под руководством Барбары А. Хан, эколога по заболеваниям из Института экосистемных исследований Кэри.

Большинство новых инфекционных заболеваний передаются от животных человеку, ежегодно страдает более миллиарда людей. Защита общественного здоровья требует эффективных инструментов эпиднадзора.

Хан комментирует: "Исторически с новыми инфекционными заболеваниями боролись реактивно, сосредотачивая усилия на сдерживании вспышек после их распространения. Нас интересовало, как машинное обучение может способствовать системе раннего предупреждения, раскрывая распределение видов грызунов, которые являются эффективными резервуарами болезней".

Вместе с коллегами из Школы экологии Одема Университета Джорджии Джоном Полом Шмидтом, Сарой Э. Боуден и Джоном М. Дрейком Хан использовала машинное обучение, форму искусственного интеллекта, для выявления закономерностей в обширном наборе данных о более чем 2000 видах грызунов, включая переменные, описывающие историю жизни, экологию, поведение, физиологию и географическое распространение видов.

Команда разработала модель, которая смогла предсказать известные виды грызунов-резервуаров с точностью 90%, и определила конкретные черты, отличающие резервуары от не-резервуаров. Они выявили более 150 новых потенциальных видов грызунов-резервуаров и более 50 новых гипер-резервуаров — животных, которые могут переносить несколько патогенов, опасных для человека.

"Это исследование показывает ценность объединения новых методов анализа с большими данными", — прокомментировал соавтор исследования Джон Дрейк. "Объединив экологические и биомедицинские данные в общую базу данных, Барбара смогла использовать машинное обучение для поиска закономерностей, которые могут информировать систему раннего предупреждения вспышек болезней, переносимых грызунами".

Хан поясняет: "Результаты снабжают нас списком наблюдения за видами грызунов высокого риска, чьи внутренние черты делают их эффективными переносчиками инфекций, передаваемых людям. Такой список становится все более важным в свете ускоряющихся темпов изменения окружающей среды".

Ключевые выводы:

• Не все грызуны одинаково способны передавать болезни. Самые рискованные виды-резервуары — те, которые быстро созревают, рано и часто размножаются и живут в северных умеренных зонах с низким уровнем биоразнообразия.
• Исследование дополняет растущий объем знаний о том, что "темп жизни" влияет на переносимость инфекций у животных. "С биологической точки зрения, виды, которые производят как можно больше потомства за более короткий период времени, могут, как правило, вкладывать меньше ресурсов в иммунный ответ по сравнению с более медленно живущими животными. Это может делать определенные виды грызунов более эффективными резервуарами болезней", — отмечает Хан.

Географические закономерности:

• Высокое разнообразие резервуаров обнаружено в Северной Америке, на атлантическом побережье Южной Америки, в Европе, России и некоторых частях Центральной и Восточной Азии.
• Прогнозируемые будущие "горячие точки" разнообразия грызунов-резервуаров охватывают арктические, умеренные, тропические и пустынные биомы, включая Китай, Казахстан и Средний Запад США.
• Большинство новых видов-резервуаров и гипер-резервуаров прогнозируются в верхних широтах.

"Было удивительно обнаружить, что больше новых болезней, переносимых грызунами, прогнозируется для умеренных зон, чем для тропиков — вопреки предположениям, что новые болезни возникают именно в тропиках", — прокомментировал Дрейк. "Этот результат показывает, как основанное на данных открытие может исправлять такие стереотипы".

Результаты служат основой для целенаправленных усилий по эпиднадзору, что жизненно важно с учетом стоимости мониторинга новых инфекционных заболеваний. Хан отмечает: "Превращение наших прогнозов в превентивные меры потребует сотрудничества с экспертами на местах. Именно здесь начинается настоящая работа. Начать можно с изучения вновь предсказанных грызунов-резервуаров и оценки того, у каких из них контакт с людьми увеличивается из-за таких процессов, как урбанизация, сельскохозяйственная и охотничья деятельность, а также перемещение из-за политической или климатической нестабильности".