Movements networks in epidemiological models: integration, analysis and application to commuting movements in France

Réseaux de mouvements dans les modèles épidémiologiques: intégration, analyse et application aux mouvements de navette en France

Ségolène Charaudeau (1)

1 DS3 - ESIM - Déterminants Sociaux de la Santé et du Recours aux Soins

Transportation networks have a major influence on the interactions between people. The worldwide diffusion of some disease, like HIV, SARS, H1N1 or MRSA has for instance been eased by the recent increases in the velocity of transportation means and the frequency of movements. In this context, it is of crucial importance to develop theoretical tools to understand the influence of human mobility on infectious disease propagation. During this thesis, we have performed at first a systematic review of the use of population movements in models of epidemic propagation. Then, we focused on the national/regional scale, using commuting movements, and we developed several tools to analyze their influence on the propagation of influenza in France. The first part of this thesis has been dedicated to the systematic review of works on epidemic propagation integrating mobility data. Nowadays, the influence of air travel on disease diffusion has been extensively studied: on national/regional scale however, commuting movements are often integrated in models without justification. In the following of this thesis, we investigated the influence of these movements: the example of influenza propagation in France was used to make this study. We started this work with the calculation of spatial auto-correlation of surveillance data from the Sentinelles network, based on commuting data, in order to confirm they had an influence on influenza propagation. Then, we developed tools based on a metapopulation model, to compare epidemics propagation, thanks to which we showed that both children and adults movements, which are different, should be integrated in models. In this study, we also evidenced the existence of preferential pathways for diffusion, that are followed depending on the seeding district of the epidemic. We then performed an analytical analysis of commuting movements influence by developing a linear model based on the previous one. In this thesis, we propose two tools based on the spectral analysis of the matrix of this model and the study of the vectorial sub-space generated by its dominant eigenvectors: with these tools, we studied the role of each district in the propagation on one hand and the global dynamics of the model on the other hand. Previous results were confirmed by this second analysis.

Les infrastructures de transport, liées à la géographie du territoire, ont une influence importante sur les interactions entre individus. La progression récente de la rapidité et de la fréquence des déplacements ont notamment aidé à la diffusion à l'échelle mondiale de plusieurs maladies: HIV, SARS, H1N1, MRSA. Dans ce contexte, il est d'une importance cruciale de développer des outils théoriques permettant de comprendre comment la mobilité humaine influence la propagation de maladies infectieuses. Au cours de cette thèse, nous avons tout d'abord réalisé une revue systématique de l'utilisation des mouvements de population dans la propagation épidémique.Nous nous sommes ensuite focalisés sur l'étude des mouvements de navette et avons développé plusieurs outils pour comprendre leur influence: l'exemple de la diffusion de la grippe en France a été utilisé pour cette étude. La première partie de cette thèse a été consacrée à une review systématique des travaux portant sur des modèles de propagation épidémique intégrant des données de mobilité. Si le rôle des transports aériens dans la diffusion des pathogènes est aujourd'hui bien documenté, à l'échelle nationale/régionale, les mouvements de navette en revanche sont souvent intégrés sans que cela soit justifié. Dans la suite de cette thèse, nous avons donc cherché à comprendre l'influence que ces mouvements pouvaient avoir, en se focalisant sur le cas spécifique de la propagation de la grippe en France. Tout d'abord, nous avons effectué un calcul de l'auto-corrélation spatiale des données de suivi de propagation grippale enregistrées par le réseau Sentinelles basée sur les mouvements de navette, afin de confirmer leur influence sur la propagation de la grippe. Grâce à des outils de comparaison d' épidémies basés sur un modèle métapopulation, nous avons ensuite montré qu'il était important d'intégrer les mouvements des enfants et des adultes, qui sont différents. Cette étude nous a également permis de montrer l'existence de chemins de diffusion typiques, emprunt és selon le point de départ de l'épidémie. Dans un second temps, nous avons effectué une étude analytique de l'influence des mouvements de navette en développant un modèle linéaire basé sur le précédent. Nous proposons dans cette thèse deux outils basés sur l'analyse spectrale de la matrice de ce modèle et du sous-espace vectoriel généré par ses vecteurs propres dominants: ces outils ont permis d' étudier le rôle de chaque canton dans la diffusion de la grippe d'une part et la dynamique globale du modèle d'autre part, ainsi que de confirmer les résultats précédents.

Mots clés: Networks; Communities; Commuting; Influenza

Mots clés: Réseaux; Communauté; Propagation; Navette; Grippe

Domaines: Santé publique et épidémiologie

Ségolène Charaudeau. Movements networks in epidemiological models: integration, analysis and application to commuting movements in France. Santé publique et épidémiologie. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00934932⟩