[논문 리뷰] Modelling epidemic dynamics under collective decision making

Mengbin Ye, Lorenzo Zino외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 05.

COVID-19 epidemiological studies참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전염병 기간 동안 개인의 의사결정을 묘사하는 단순한 진화 게임 이론 모델을 제시한다. 이 모델은 정책 간섭, 사회경제적 비용, 인식된 위험도, 사회적 영향력을 통합하여, 사회적 영향력이 보호 행동의 수용과 기각을 모두 가속화하고, 단계적 비약리적 간섭이 장기적인 근절에 있어 핵심적 역할을 한다는 점을 드러낸다. 특히 초도 유행 통제 이후 신중하게 관리되어야 한다.

ABSTRACT

During the course of an epidemic, individuals constantly make decisions on how to fight against epidemic spreading. Collectively, these individual decisions are critical to the global outcome of the epidemic, especially when no pharmaceutical interventions are available. However, existing epidemic models lack the ability to capture this complex decision-making process, which is shaped by an interplay of factors including government-mandated policy interventions, expected socio-economic costs, perceived infection risks and social influences. Here, we introduce a novel parsimonious model, grounded in evolutionary game theory, able to capture decision-making dynamics over heterogeneous time scales. Using real data, we analyse three case studies in the spreading of gonorrhoea, the 1918--19 Spanish flu and COVID-19. Behavioural factors shaping the course of the epidemic are intelligibly mapped onto a minimal set of model parameters, and their interplay gives rise to characteristic phenomena, such as sustained periodic outbreaks, multiple epidemic waves, or a successful eradication of the disease. Our model enables a direct assessment of the epidemiological and socio-economic impact of different policy interventions implemented to combat epidemic outbreaks. Besides the common-sense finding that stringent non-pharmaceutical interventions are essential to taming the initial phases of the outbreak, the duration of such interventions and the way they are phased out are key for an eradication in the medium-to-long term. Surprisingly, our findings reveal that social influence is a double-edged sword in the control of epidemics, helping strengthen collective adoption of self-protective behaviours during the early stages of the epidemic, but then accelerating their rejection upon lifting of non-pharmaceutical containment interventions.

연구 동기 및 목표

• 기존 전염병 모델이 유행 기간 동안 개인의 의사결정 상호작용을 포착하지 못하는 격차를 보완하기 위해.
• 인식된 감염 위험도, 사회경제적 비용, 정책 간섭, 사회적 영향력 등의 행동 요인들이 전염병 경로에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 위해.
• 행동 역학을 관찰 가능한 전염병 현상(예: 다중 파동 또는 근절)에 매핑할 수 있는 최소한의 모수 모델을 개발하기 위해.
• 특히 비약리적 간섭 전략의 역학적 및 사회경제적 영향을 평가하기 위해.
• 간섭 조치의 단계적 철회가 장기적으로 미치는 영향을 평가하고, 특히 사회적 영향력이 보호 행동을 유지하거나 약화시키는 데서의 역할을 분석하기 위해.

제안 방법

• 모델는 진화 게임 이론에 기반하여, 개인의 의사결정을 인식된 비용과 이익에 기반한 전략적 선택으로 모델링한다.
• 결정의 비균형적인 시간 척도를 통합하여 유행 조건 변화와 정책 변화에 동적으로 대응할 수 있도록 한다.
• 정부가 시행하는 간섭, 예상되는 사회경제적 비용, 인식된 감염 위험도, 동료로부터의 사회적 영향력의 네 가지 핵심 요소를 통합한다.
• 세 가지 유행의 실제 데이터(잔뇨진균병, 1918–1919 스페인 독감, 코로나19)를 활용하여 행동 모수를 校정하고 검증하였다.
• 시간에 따라 집단적 행동의 변화를 시뮬레이션함으로써 주기적 유행과 다중 파동과 같은 특징적인 전염병 패턴을 생성한다.
• 감도 분석 및 시나리오 분석을 통해 간섭 지속 기간과 철회 전략이 장기적 전염병 통제에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인식된 위험도, 사회경제적 비용, 사회적 영향력에 영향을 받는 개인의 의사결정이 함께 유행 역학을 어떻게 형성하는가?
• RQ2 유행 간섭 기간 동안 및 이후에 사회적 영향력은 보호 행동 수용과 그 후 기각에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 비약리적 간섭의 시기와 지속 기간은 장기적 병원균 근절 가능성을 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 최소한의 모수 모델이 다중 파동 또는 지속적인 주기적 유행과 같은 복잡한 전염병 현상을 묘사할 수 있는가?
• RQ5 다양한 간섭 철회 전략의 역학적 및 사회경제적 성과는 무엇인가?

주요 결과

• 모델는 동적인 행동 변화를 포착함으로써 다중 파동 및 지속적인 주기적 유행과 같은 복잡한 전염병 패턴을 성공적으로 재현하였다.
• 사회적 영향력은 이중적인 효과를 가진다: 초기에는 보호 행동 수용을 가속화하지만, 간섭 조치가 철회된 후에는 행동 기각을 빠르게 유도한다.
• 엄격한 비약리적 간섭은 초도 유행 단계 통제에 필수적이지만, 그 지속 기간과 단계적 철회 전략이 장기적 근절에 있어 핵심적이다.
• 모델는 간섭 조치의 조기 또는 급작스러운 철회가 감염 수준이 낮더라도 행동의 급격한 쇠퇴로 인해 재유행을 유도할 수 있음을 시사한다.
• 행동 요인 간의 상호작용은 정책 간섭이 대중의 행동 역학과 일치하는지 여부에 따라 성공적인 근절 또는 지속적인 전파로 이어질 수 있다.