Epidemias recentes evidenciam a complexidade de nosso mundo interconectado, onde redes de interações, communications, mobilidade e dinâmicas sociais formam um sistema adaptativo e evolutivo. Comparadas aos séculos passados, a propagação de doenças na atualidade é notavelmente rápida. Enquanto a peste negra se espalhava de forma lenta e difusiva na Idade Média, as doenças contemporâneas se disseminam de modo eficiente, aproveitando a propriedade de "mundo pequeno" das redes complexas, especialmente relacionada à mobilidade humana. Pandemias recentes, como H1N1, Ebola e COVID-19, ilustram o papel crucial da intensa mobilidade humana na propagação de doenças. Enquanto essas doenças são transmitidas diretamente, as arboviroses dependem de vetores para sua propagação. Embora o controle da dengue tenha historicamente visado diretamente seu vetor, o mosquito, centrando-se em aspectos climáticos como umidade e temperatura, modelos matemáticos frequentemente negligenciaram o papel da mobilidade humana nesse contexto. No entanto, evidências sugerem sua relevância, visto que o mosquito possui uma dispersão limitada. Neste projeto, propomos estudar modelos matemáticos para a propagação de doenças transmitidas por vetores considerando a mobilidade humana, adotando uma abordagem orientada por dados previamente testada e aplicada com sucesso em surtos de H1N1 e COVID-19. Com expertise em integrar dados entomológicos, epidemiológicos e de mobilidade humana, nossa equipe visa extrair insights analíticos, como a dependência do limiar epidêmico em função de dados demográficos, entomológicos e climáticos. Esta abordagem transdisciplinar envolve especialistas em Física, Matemática e Medicina. Além de seu potencial em formação de recursos humanos e colaborações, espera-se estabelecer uma rede de colaborações entre a Universidade Federal de Viçosa e a Universidade de São Paulo, em particular com a Faculdade de Medicina da USP, reconhecida por sua atuação em saúde pública.

O projeto visa contribuir para linhas de pesquisa já existentes no DPF por meio dos estudos de aspectos fundamentais de processos dinâmicos em redes complexas e sociofísica, e consolidar uma nova linha de pesquisa envolvendo modelagem aplicada. Serão desenvolvidas pesquisas no aprimoramento de modelos epidemiológicos com a abordagem orientada por dados, possibilitando aumentar a rede de colaborações do DPF/UFV para outros grupos de pesquisa na própria UFV e outras instituições nacionais e internacionais. Tudo isso levará ao fortalecimento da pós-graduação do DPF/UFV com publicações de resultados em revistas internacionais e formação de estudantes, pavimentando o caminho para consolidação de um grupo de modelagem não apenas teórica, mas aplicada, tornando possíveis novos desafios e colaborações a longo prazo.

Padrões complexos de mobilidade emergem em sistemas diversos, que vão desde a matéria ativa até a mobilidade humana em escala global, refletindo dinâmicas coletivas e propriedades emergentes. Na matéria ativa, partículas coloidais, células e grupos de insetos sociais formam espontaneamente estruturas organizadas, guiadas por interações locais e auto-organização. De forma análoga, fluxos urbanos e globais influenciam fenômenos como a disseminação de epidemias, evidenciando como interações locais podem gerar comportamentos globais complexos.

O estudo da mobilidade sob a ótica da física conecta princípios fundamentais, como interações não lineares e estocásticas, que emergem em sistemas com muitos agentes interagentes, propiciando aplicações em sistemas biológicos, sociais e tecnológicos.

Neste projeto, iremos investigar o papel desempenhado pela mobilidade em uma coleção de problemas empíricos e teóricos interligados sob a ótica de Sistemas Complexos: i) análise e modelagem de dados de mobilidade de telefonia móvel; ii) efeito dos padrões de mobilidade na disseminação geográfica de epidemias; iii) investigação teórica e experimental da mobilidade de insetos sociais; iv) investigação teórica e experimental da mobilidade celular; v) aplicação de inteligência artificial para previsão de padrões de mobilidade e suas aplicações em epidemias; vi) estudo de mecanismos fundamentais em modelos de mobilidade em redes complexas.

Destacam-se a multidisciplinaridade e o amplo empenho na formação de recursos humanos nos níveis de graduação e pós-graduação.

Investigar aspectos fundamentais e aplicados de fenômenos de espalhamento em redes complexas considerando estruturas temporais e de ordem superior. Do ponto de vista fundamental, vamos investigar como aspectos epidemiológicos relevantes, porém sub-investigados em modelos básicos, afetam o curso de um processo epidêmico em redes complexas. Também investigaremos a inter-relação entre várias camadas de disseminação (informação, posicionamento, comportamento e aspectos que envolvem a cognição) na propagação de surtos epidêmicos. Na frente de pesquisa aplicada, pretendemos utilizar técnicas de redes complexas para analisar dados de redes sociais e de mobilidade humana que podem, além de fomentar os estudos teóricos, descrever a estrutura de disseminação de comportamentos sociais. Também estudaremos os padrões de contatos intermitentes em matéria ativa tanto na modelagem quanto na parte experimental. A abordagem é transdisciplinar com ênfase nos aspectos dominantes de processos dentro da ótica da Física e da Complexidade. Vale ressaltar que todas as frentes de trabalho envolvem a formação de recursos humanos de graduação e pós-graduação.

Desordem é um aspecto inerente de sistemas naturais, sociais e tecnológicos. Entender como a desordem em uma escala microscópica (individual) afeta as propriedades macroscópicas (coletivas) é um desafio que permeia a Física e a Ciência da Complexidade. Neste projeto, vamos investigar aspectos fundamentais e aplicados de fenômenos de espalhamento em estruturas desordenadas complexas considerando tanto as componentes temporais quanto as de ordem superior. Investigaremos como aspectos epidemiológicos relevantes, porém sub-investigados em abordagens básicas, afetam o curso de um processo epidêmico em redes complexas. Também investigaremos a inter-relação entre várias camadas de disseminação (informação, posicionamento, comportamento e outros aspectos que envolvem a cognição) na propagação de surtos epidêmicos relacionados a doenças infecciosas. Na frente de pesquisa aplicada, pretendemos utilizar técnicas de teoria de redes complexas para analisar dados de sistemas sociais e de mobilidade humana que podem, além de fomentar os estudos teóricos, descrever a estrutura de disseminação de comportamentos sociais. Estudaremos tanto interações em redes sociais humanas quanto em sistemas biológicos; este último terá contrapartida experimental em cultura de células, reunindo as abordagens de redes e de matéria ativa. Também faremos uma incursão em ciências de materiais, usando as técnicas de análise estruturas geradas por microscopia de sonda via teoria de redes. A abordagem é transdisciplinar com ênfase nos aspectos dominantes de processos dentro da ótica da Física e da Complexidade. Vale ressaltar que esta proposta é interinstitucional (UFV & UFSJ) e que todas as frentes de trabalho envolvem a formação de recursos humanos de graduação e de pós-graduação bem como colaborações internacionais e nacionais fora do estado de MG. Nossa equipe de 18 membros conta com pesquisadores experientes (5 bolsistas PQ, 2 nível 1), estrangeiros e várias estudantes de pós e de graduação.

A disponibilidade de técnicas de sequenciamento de genoma viral e projeções por meio de modelos matemáticos, estatísticos e computacionais permitem acompanhar a emergência e disseminação de doenças infecciosas em escala local e global. Desde o primeiro caso confirmado de infecção pelo SARS-CoV-2, essas técnicas e análises são responsáveis por um monitoramento ativo e contínuo da evolução epidemiológica na população humana. Essas projeções dependem diretamente da vigilância epidemiológica e clínica com dados reais de casos confirmados e genomas sequenciados. Em especial, no caso do SARS-CoV-2 o surgimento e disseminação das chamadas "variantes de preocupação" demandam uma vigilância ativa, principalmente em áreas de alta densidade populacional como é o caso do município de São Paulo. Diferentes análises têm demonstrado que essas variantes podem ter maior transmissibilidade, virulência e letalidade do que a linhagem original do SARS-CoV-2. Por meio da genotipagem e sequenciamento de amostras representativas distribuídas pelas Coordenadorias Regionais de Saúde do município de São Paulo é possível georreferenciar os casos construindo mapas de calor para identificar os padrões espaciais de emergência, fazendo um acompanhamento em tempo real dos dados de vigilância epidemiológica e classificando-os em um banco de dados discriminado por regiões do município. Com a construção de modelos compartimentais e estruturados por idade é possível utilizar modelos matemáticos de disseminação de doenças infecciosas que levem em conta a demografia, os padrões sociais de contato e a mobilidade humana para simular o comportamento espaço-temporal futuro das variantes de preocupação. A análise de séries temporais e projeções por meio desses dados servem para nortear ações em saúde pública, sendo possível desenvolver um sistema robusto de coleta, análise e vigilância epidemiológica.

Projeto emergencial aprovado pela CAPES para utilizar modelos de metapopulações na pandemia de COVID-19 em diferentes municípios, nuclear um sistema de previsão e monitoramento para a COVID-19 e seus impactos sanitários em nível municipal e intensificar os estudos da COVID-19 no interior de forma integrada com os grandes centros urbanos.

Monitorar de forma contínua o espalhamento da COVID-19 no Brasil por meio de dados oficiais do número de afetados pela doença, georreferenciados em nível municipal, juntamente com dados de mobilidade humana e contato social em modelos de metapopulações para estimar o impacto da doença na população, aplicando métodos analíticos de física estatística, análise e coleta de dados, e simulações computacionais.

Um dos objetivos centrais deste plano de trabalho é propulsionar uma das áreas de pesquisas a que me dedico a aproximadamente 2 anos que é relacionada a criticalidade dinâmica induzida por efeitos de desordem em processos de propagação em redes complexas. Tais desordens podem gerar regiões estendidas de comportamento crítico em vez de um único ponto crítico. Tal possibilidade tornou-se muito atrativa para explicar um fenômeno fundamental observado experimentalmente no qual a dinâmica funcional do cérebro humano (possivelmente a máquina mais complexa conhecida) é crítica. Vale ressaltar aqui o quanto o cenário atual é favorável para os estudos propostos nesse projeto. Por um lado, a quantidade de informações quantitativas extraídas de dados reais tem crescido exponencialmente nos últimos anos. Por outro, a capacidade de armazenamento e processamento computacional aumentou consideravelmente nas últimas décadas. Uma melhor compreensão das regras que regem o funcionamento do cérebro é importante não somente no contexto da neurociência, como também para desenvolvimento tecnológico, como inspiração para algoritmos inteligentes e métodos de tratamento e análise para grandes quantidades de informações.

Projeto de doutorado sanduíche realizado no Departamento de Fisica de la Materia Condensada da Universidad de Zaragoza, na Espanha, para estudar a influência nos padrões de contato de sistemas sociais e tecnológicos em modelos epidêmicos. Em particular, foram utilizados dados na trajetória de pessoas em diferentes níveis (global, nacional, regional e urbano) para incluir padrões reais de mobilidade em modelos baseados em agente sujeitos a dinâmicas compartimentais. Esses estudos têm permitido a reprodução do desenvolvimento espaço-temporal dos surtos epidêmicos recentes de gripe e Ebola, por exemplo. Com os modelos de metapopulações é possível incorporar padrões de mobilidade reais e não triviais.

Projeto de doutorado para estudar sistematicamente modelos de propagação de informação e de epidemias em redes complexas com diferentes níveis de heterogeneidade e estruturas por meio de métodos analíticos de Física Estatística e simulações computacionais, visando a aplicação em sistemas reais para o estudo de fenômenos críticos em redes modulares, polarização política em redes sociais e o efeito da mobilidade em metapopulações. O projeto incluiu um período sanduíche de 1 ano na Universidad de Zaragoza, na Espanha.

This proposal aims to consolidate the collaboration between Prof. Romualdo Pastor-Satorras, who ranks among the most celebrated researchers in the field of complex networks, and the Applied Statistical Physics group at Universidade Federal de Viçosa. The research activities proposed in the project will be centered in the investigation of the properties of dynamical processes running on the top of complex networks. We will investigate absorbing state phase transitions, mechanisms governing epidemic spreading, and opinion formation models on quenched as well as temporal networks, which are central for the understanding of information propagation in networks. Besides being a very interesting fundamental problem, understanding how information and diseases spread through networks is a strategic issue with potential practical application in many sectors of the society as diverse as public health and national security. We are confident that this collaboration will be imperative to enhance the internationalization of our group through the publication in the most highlighted journals.

O objetivo central deste plano de trabalho é dar sequência às atividades de pesquisas previstas nos seguintes projetos sob coordenação do grupo: Nucleação do grupo de Física Estatística Aplicada e Epidemic and information spreading on static and time-varying networks que foram aprovados junto à FAPEMIG e à CAPES, respectivamente. De uma forma geral, as linhas de pesquisa são: transições de fases em redes complexas, processos dinâmicos em redes complexas, dinâmica e caracterização (teórica e experimental) de superfícies auto-afins, modelagem de crescimento/terapia de tumores.