Academic literature on the topic 'Démographie – Épidémiologie – Modèles mathématiques'

La démographie et la structure génétique d'une population sont étroitement liées. L’étude de ce lien est cruciale, ce d’autant plus pour les organismes présentant des fluctuations démographiques fréquentes tels que les agents pathogènes responsables de maladies émergentes. Les modèles classiques de génétique des populations ont permis d’explorer ce lien pour des processus démographiques simplifiés. Dans cette thèse, j'examine de manière plus approfondie l'interaction entre la démographie et l'évolution génétique de populations d'agents pathogènes aux cycles de vie complexes. Pour ce faire, deux situations écologiques hors équilibre démographique sont étudiées, chacune permettant de poser des hypothèses de modélisation réalistes. L’une présente un évènement majeur de sélection où l’aspect temporel est primordial. L’autre présente des évènements récurrents de colonisation où l’aspect spatial est déterminant.Dans une première partie, je m'intéresse à l'étude d'un contournement de résistance par une population d'agents pathogènes. En premier lieu, une approche par modélisation permet d’établir les conditions d’observation d’un contournement et d'identifier les déterminants de la durabilité d’une résistance. Les résultats mettent en évidence l'effet antagoniste de la proportion d'hôtes résistants déployés dans le paysage agricole, qui diminue la probabilité de contournement mais augmente la vitesse du contournement lorsqu'il a lieu. Ce modèle est ensuite complété par la prise en compte de l'évolution génétique aux loci neutres. Les résultats permettent d'identifier trois scénarios démographiques associés à des signatures génétiques distinctes lors du contournement : 1) de faibles variations de tailles de populations et peu d'évolution de la structure génétique, 2) un événement fondateur fort sur l’hôte résistant qui crée en retour une structure sur l’hôte sensible et 3) un événement de sauvetage évolutif qui se traduit par un fort événement de fondation sur l’hôte résistant, précédé par un goulot d'étranglement sur l’hôte sensible. Enfin, ce cadre théorique d'analyse démogénétique est appliqué à des données empiriques pour inférer les paramètres régissant le contournement des peupliers résistants RMlp7 par l'agent pathogène Melampsora larici-populina. Deux paramètres sont particulièrement bien estimés et en accord avec nos connaissances biologiques : une forte proportion d'hôtes résistants dans le paysage (plus de 80 %) et une fréquence initiale d'allèles virulents dans la population d'agents pathogènes entre 5 et 10 %.Dans une seconde partie, je m'intéresse à l'étude de la colonisation et ses conséquences génétiques. Ces analyses portent sur un système écologique particulier, l’invasion récurrente de la vallée de la Durance par Melampsora larici-populina. Premièrement, un modèle mécanico-statistique est couplé aux données de suivi épidémiologique afin d'inférer les paramètres régissant la dynamique d'expansion de l’agent pathogène. Cette approche montre que la colonisation résulte de fréquents évènements de dispersion à longue distance, pour une distance moyenne de dispersion de plus de 2 km. Deuxièmement, la caractérisation de plusieurs évènements annuels de colonisation montre une structure génétique similaire mais qui varie fortement en amplitude d'une année sur l'autre. Deux extrêmes sont identifiés : en 2011, une forte conservation de la diversité génétique initiale le long du domaine colonisé ; en 2004, une érosion rapide de la diversité génétique. Les variations inter-annuelles de ces structures peuvent être expliquées par des variations dans la fréquence des évènements de dispersion à longue distance.Ce travail permet de discuter l’importance de modèles contextualisés et prenant en compte les variations démogénétiques dans la compréhension des systèmes biologiques. Les informations obtenues sont déterminantes pour le renforcement des stratégies de lutte contre les agents pathogènes responsables de maladies émergentes
The demography and genetic structure of a population are closely linked. The study of this interplay is crucial, especially for organisms with frequent demographic fluctuations such as pathogen species responsible for emerging diseases. Classical population genetics models have been used to explore this link for simplified demographic processes. In this thesis, I further investigate the interplay between demography and genetic evolution in pathogen species that display complex life cycles. For this purpose, I focus on two ecological systems that strongly deviate from demographic equilibrium, each of which allows for realistic modelling assumptions. The first ecological system focuses on a major selection event with the temporal dimension being of prime importance. The second system reports recurrent colonisation events in which the spatial aspect is decisive.In the first part, I study an event of resistance overcoming by a pathogen population. Firstly, a modelling approach is used to establish the conditions for observing resistance overcoming and to identify the determinants of resistance durability. The results highlight the antagonistic effect of the proportion of resistant hosts deployed in the agricultural landscape, which decreases the probability of overcoming but increases the speed of overcoming when it occurs. Secondly, this model is implemented to account for genetic evolution at neutral loci. The results identify three demographic scenarios associated with distinct genetic signatures during resistance overcoming: 1) small variations in population sizes and small changes in genetic structures, 2) a strong founder event on the resistant host that in turn creates a genetic structure on the susceptible host, and 3) an evolutionary rescue event that results in a strong founder event on the resistant host, preceded by a bottleneck on the susceptible host. Finally, this theoretical framework of demogenetic analysis is applied to empirical data to infer the parameters underlying the overcoming of resistant RMlp7 poplars by the pathogen Melampsora larici-populina. Two parameters are particularly well estimated and the inferred values are in agreement with our biological knowledge: a high proportion of resistant hosts in the landscape (more than 80%) and an initial frequency of virulent alleles in the pathogen population between 5 and 10%.In the second part, I study colonisation and its genetic consequences. These analyses focus on the recurrent invasion of the Durance River valley by Melampsora larici-populina. Firstly, a mechanistic-statistical model is coupled to epidemiological data to infer the parameters underlying the pathogen's expansion dynamics. This approach shows that colonisation results from frequent long-distance dispersal events, with an average dispersal distance of more than two kilometres. Secondly, the characterisation of several annual colonisation events highlights a similar genetic structure which amplitude however varies greatly between years. Two extremes are identified: in 2011, strong conservation of the initial genetic diversity along the colonised domain; in 2004, rapid erosion of genetic diversity. The inter-annual variations in these structures can be explained by variations in the frequency of long-distance dispersal events.This work highlights the importance of contextualised models that take into account demogenetic variations for a better understanding of biological systems. The information obtained is then crucial for developing relevant control strategies against pathogen populations responsible for emerging diseases

Les pucerons modifient le développement des plantes et peuvent transmettre des virus, représentant ainsi une menace majeure pour les cultures. Il est possible de réduire la pression exercée par les pucerons sur les plantes et d’améliorer la production agricole en facilitant certains processus écologiques en plus ou en remplacement de l’utilisation de pesticides. Les modèles mathématiques peuvent aider à prédire la direction et la force de ces processus écologiques et ils peuvent révéler l’impact des modes alternatifs de gestion des cultures. La thèse proposée vise à développer des modèles mathématiques basés sur les processus, couplant la physiologie des plantes et la démographie des pucerons, afin de favoriser l’intensification écologique et de réduire l’utilisation des pesticides. Les modèles tiennent compte i) des interactions entre la plante et le puceron, alors que la plupart des modèles de culture ne prennent en compte que l’effet du ravageur sur la plante et non l’inverse, ce qui nuit à la compréhension de la lutte antiparasitaire via les pratiques culturales;et ii) de l’effet des pratiques culturales et du résultat en termes de récolte,questions qui sont généralement absentes dans les modèles écologiques. Je couple tout d’abord un modèle mécaniste de croissance des plantes avec un modèle de population des pucerons, je le calibre pour un système pêche-puceron vert et je l’utilise pour obtenir des informations sur les mécanismes qui sous-tendent la réponse des pucerons à la fertilisation et à l’irrigation. En outre, je développe un modèle épidémiologique qui tient compte explicitement de l’interférence entre deux pucerons vecteurs. J’applique ce modèle pour étudier l’effet de l’interférence inter-spécifique des pucerons dans la propagation des virus des plantes, en tenant compte de l’effet des pratiques agricoles
Aphids alter plant development and can transmit viruses, thus representing a major threat for crops. Aphid pressure on plant can be reduced and crop production can be enhanced by facilitating some ecological processes in addition, or in substitution, to the use of pesticides. Mathematical models can help in predicting the direction and strength of these ecological processes and they can reveal the impact of alternative ways of managing crops. The proposed thesis aims to develop process based mathematical models coupling plant physiology and aphid demography to drive ecological intensification and reduce the use of pesticides. The models consider i) interactions between plant and aphid, while most crop models only consider the effect of the pest on the plant and not vice versa hence impairing insights upon bottom-up pest control via cultural practices; and ii) the effect of cultural practices and the outcome in terms of harvest, issues that are usually absent in ecological models. Therefore, I firstly couple a mechanistic plant growth model with a pest population model, I calibrate it for a peach-green aphid system and I use it to get insights on the mechanisms behind the response of aphids to fertilization and irrigation. Furthermore, I develop an epidemiological model explicitly accounting for the interference between two aphid vectors. I apply the model to explore the effect of inter-specific aphid interference in shaping the spread of plant viruses, considering the effect of agricultural practices

Le nombre et la taille des ménages constituent une information importante pour les secteurs politique, administratif et privé. Le modèle de UN-Habitat projette le nombre de ménages par taille pour tous les pays membres de l'ONU. En cas de données insuffisantes le nombre total est estimé. Ce travail évalue la faisabilité technique, la fiabilité et la pertinence des résultats de ce modèle tout en tenant compte de la disponibilité et de la qualité des données, et de la comparabilité des résultats entre pays, surtout en ce qui concerne les définitions. L'hypothèse d'une évolution universelle des ménages est mise en cause par les différences observées entre pays, qui peuvent souvent être expliquées par des différences dans la structure par âge de la population et par le niveau d'urbanisation. Une diversification des hypothèses sur l'évolution future du nombre total des ménages est nécessaire afin que cette approche, certes approximative, soit valable et utile pour la plupart des pays
The number and size of households are an important information for the political, administrative and private sector. The model used by UN-Habitat projects the number of households by size for all member countries of the UN. In case of insufficient data the total number is estimated. This work evaluates the technical feasibility, the reliability and the pertinence of the results of this model. It takes into account the avaibility and the quality of data and the comparability of results between countries, especially in what concerns definitions. The hypothesis of a universal evolution of households has to be questioned in the light of the differences observed between countries. But these can often be explained through differences in the age structure of the population and in urbanisation levels. A diversification of hypotheses on the future evolution of the total number of households is necessary so that this approach is valid and of utility for the majority of countries

L'étude de l'évolution et de la valeur pronostique des marqueurs longitudinaux est très fréquente en médecine. Ce travail s'est centré sur la modélisation de données longitudinales en présence de données manquantes ou censure informative à droite. Notre objectif premier a été d'évaluer si un marqueur mesuré de façon répétée au cours du temps pouvait être utilisé comme critère de substitution lors de l'évaluation de l'efficacité d'un nouveau traitement dans le cadre d'un essai thérapeutique. Le premier développement a été de comparer deux stratégies de modélisation pour ces données longitudinales et de survie : un modèle multi-état décrivant les trajectoires des malades entre différents compartiments définis par la valeur du marqueur et la censure informative, et un modèle conjoint du processus longitudinal et du délai de censure informative. Puis, nous avons modélisé l'évolution d'un marqueur en présence de censure informative. Nous proposons une modélisation conjointe des données longitudinales et des données de survie multivariée, lorsque le sous-modèle de survie est un modèle paramétrique pour les fonctions de risque de sous-répartition des événements en compétition. Nous nous sommes alors placés dans un contexte d'inférence bayesienne. Chaque développement a fait l'objet d'une application en épidémiologie clinique, que ce soit dans l'étude de la lymphocytose comme critère de substitution de l'efficacité d'un traitement dans la leucémie, ou dans l'évaluation du bénéfice du remplissage vasculaire chez des malades de réanimation sur un score de gravité mesuré pendant leur séjour

Cette thèse porte sur l'analyse mathématique et l'inférence statistique de modèles stochastiques dédiés à l'étude de la propagation d'un pathogène dans une population. Les processus markoviens de saut densité-dépendant (PMSDDs) constituent un formalisme naturel afin de prendre en compte la stochasticité démographique dans les modèles épidémiologiques. Dans un premier temps, nous développons une méthode rapide et automatisée, basée sur l'approximation grande population des PMSDDs, permettant d'explorer les propriétés stochastiques de ces modèles sans avoir recours à des simulations intensives. Nous nous intéressons ensuite au phénomène de vagues multiples, qui est caractéristique des pandémies de grippe. A l'aide de PMSDDs, nous formalisons différentes hypothèses biologiques permettant de rendre compte de ce phénomène. Puis, en utilisant un algorithme de filtrage particulaire itératif, nous comparons ces modèles sur la base de leur adéquation aux données. Cette analyse met en évidence le rôle de la variabilité de la réponse immunitaire chez l'homme, un mécanisme jusqu'alors largement sous-estimé dans les modèles épidémiologiques. Enfin, nous nous intéressons aux remplacements antigéniques qui sont caractéristiques de la dynamique éco-évolutive de la grippe. Nous proposons un PMSDD permettant d'unifier les deux hypothèses couramment avancées pour expliquer ces remplacements. L'analyse de ce modèle suggère que ces deux paradigmes reposent sur des mécanismes discutables d'un point de vue immunologique et suggère de nouveaux mécanismes à explorer. Nos travaux proposent de nouveaux outils ainsi que des pistes de réflexion pour l'approche stochastique en épidémiologie.

Le cycle de transmission de la filaire de brancroft est aborde de plusieurs points de vue qui permettent la construction de modeles mathematiques simples; les objectifs sont, d'une part, de synthetiser les connaissances sur l'epidemiologie de l'infection, d'autre part, d'en tirer des consequences applicables pour le controle de la transmission. La confrontation des modeles avec les donnees constitue une etape essentielle du travail. Plusieurs modeles ont ete construits, considerant le cycle de trois points de vue: - un modele deterministe de la transmission, qui met l'accent sur la dynamique de population du vecteur et les facteurs d'environnement qui la determinent. Ce travail corrobore l'hypothese qu'un vecteur de la filariose transmet rarement plus d'une infection; il montre que le controle vectoriel seul agit avec retard sur l'intensite d'infection de la population humaine; - un modele probabiliste de la distribution des parasites dans la population humaine. L'importante variabilite des mesures est insuffisante a expliquer le caractere surdisperse de cette distribution; les variations des manifestations de l'infection au cours du temps jouent egalement un role important; la prise en compte de ces facteurs permet une approche de l'agregativite reelle des parasites adultes. Les recherches pour de nouvelles techniques de diagnostic sont discutees a la lumiere des resultats; - des modeles de la prevalence par classe d'age, qui permettent d'evaluer la duree des differentes phases d'une infection et leur variabilite. L'existence d'une immunite acquise chez l'homme est mise en doute, ce qui n'est pas sans consequence sur les possibilites d'elaboration d'un vaccin. Les differences observees entre les sexes sont reexaminees de facon dynamique et quelques hypotheses explicatives sont proposees

Une représentation spatio-temporelle des évènements est d’une grande importance pour une compréhension détaillée du sens des dépêches épidémiologiques. La dissémination des composants d’une telle représentation dans les dépêches rend difficile l’accès à leurs contenus. Notre travail consiste en une extraction automatique d’une représentation évènementielle de ce type de dépêches. Nous avons implanté un système d’extraction d’information en utilisant les cascades de transducteurs à nombre d’états fini qui a permis la réalisation de trois tâches : la reconnaissance des entités nommées, l’annotation et la représentation des arguments ainsi que la représentation des structures des évènements. Par cette méthode, nous avons obtenu une valeur de rappel comprise entre 74. 24% et 100% pour la reconnaissance des entités nommées et pour la représentation des arguments, nous avons obtenu un rappel compris entre 97. 18% et 99. 54%. Ensuite, nous avons effectué un travail de normalisation de cette représentation par une résolution de certaines coréférences et de certaines inférences dans les cas où les arguments cause pathologique, personne concernée, localisation spatiale et localisation temporelle sont omises ou partiellement reconnues. Nous avons obtenu une valeur de précision comprise entre 70. 83% et 100% pour les résolution de certaines anaphores pronominales. L’évaluation de la résolution des inférences est faite par une recherche des contre-exemples des sorties des règles proposées
A spatio-temporal representation of event structures is important for an automatic comprehension of disease outbreak reports. The dispersion of components in this type of reports makes it difficult to have such a representation. This work describes an automatic extraction of event structures representation of these texts. We built an information extraction system by using cascaded finite state transducers which allowed the realization of three tasks : the named entity recognition, the arguments annotation and representation and the event structure representation. We obtained with this method a recall between 74. 24% and 100% for the named entity recognition task and a recall between 97. 18% and 99. 54% for argument representation task. Thereafter, we contributed to a normalization task in anaphoric pronouns resolution and in some inferences resolution concerning disease causation, concerned person, spatial and temporal location. We obtained a precision between 70. 83% and 100% for anaphoric pronouns resolution. The evaluation of inferences rules resolutions consisted in finding some counterexamples in the corpora for evaluation

Dans cette thèse, nous analysons les modèles intra-hôtes de paludisme et de V. I. H. Ces modèles sont d'apparition relativement récente et décrivent la dynamique des différentes étapes des parasites, ainsi que leur interaction avec les cellules hôtes, en particulier les globules rouges et les effecteurs d'immunité. Durant cette dernière décennie, il y a eu un travail considérable sur la modélisation mathématique de l'infection à plasmodium falciparum ; il existe d’ailleurs une revue des modèles intra-hôtes faite par Molineaux et Dietz. Notre travail fait partie de cet effort de compréhension des modèles de Anderson, May et Gupta. L'étude de ces modèles vise trois buts principaux : expliquer les observations par des hypothèses biologiquement convaincantes, prédire l'impact des interventions (par exemple l'utilisation des médicaments anti-paludéens et des moustiquaires imprégnées) et estimer les paramètres cachés (l'un de ces paramètres étant la taille de la population s'equestrée de globules rouge). Nous analysons les modèles de "stage progression" et de "differential infectivity" ; ensuite nous partons du modèle original de Anderson, May et Gupta pour proposer et analyser un modèle général présentant le double avantage de d'écrire la dynamique d'évolution des globules rouges, ainsi que les stades d'évolution morphologique des parasites à l'intérieur des globules rouge parasités ; pour finir nous analysons un modèle dont la nouveauté par rapport au précédent est le lien entre le compartiment des susceptibles et celui des infectieux. Nous établissons dans tous les cas étudiés la stabilité asymptotique et globale de l'équilibre sans maladie (DFE) lorsque le taux de reproduction de base R0 1 ; ce qui signifie que tous les parasites responsables de la maladie disparaissent et la maladie devient contrôlable. Nous obtenons également pour chacun des modèles étudiés, une condition de stabilité asymptotique globale de l'équilibre endémique lorsque R0 > 1. Dans certains cas, le principe de compétition exclusive est également utilisé pour trancher
In this thesis, we analyse intrahost models of malaria and H. I. V. These models are of relatively recent appearance and describe the dynamics of the various stages of the parasites, like their interaction with the host cells, in particular the red blood cells and the immunity effectors. During this decade, there was a considerable work on the mathematical modeling of plasmodium falciparum infection ; a review has been done by Molineaux and Dietz. Our work forms part of this effort of comprehension of the models of Anderson, May and Gupta. The study of these models aims three principal goals : to explain the observations by biologically convincing assumptions, to predict the impact of the interventions (for example the use of the anti-paludic drugs and impregnated mosquito nets) and to consider the parameters hidden (one of these parameters being size of the sequestered population of red blood cells). We analyze the stages progression and the differential infectivity models ; then we leave the original model of Anderson, May and Gupta to propose and analyze a general model having the double advantage of describing the dynamics of evolution of the red blood cells, as well as the stages of morphological evolution of the parasites inside the parasitized red blood cells ; to finish we analyze a model whose innovation compared to the precedent is the bond between the compartment of susceptibles and that of the infectious one. We establish in all the studied cases here the global asymptotic stability of the disease free equilibrium (DFE) when the basic reproduction ratio R0 1. What means that the disease naturally dies out. We also obtain for each model studied here, a condition for global asymptotic stability of the endemic equilibrium when R0 > 1. In certain cases, the principle of exclusive competition is also used to slice

Il est encore difficile de prédire et de contrôler le développement des maladies telluriques qui sont à l’origine de nombreux dégâts dans les systèmes de culture. Ce travail interdisciplinaire en épidémiologie a pour objectif de comprendre et de modéliser le développement spatio-temporel des épidémies telluriques afin d’identifier des leviers de gestion pour ces maladies. En se basant sur le pathosystème betterave sucrière – Rhizoctonia solani, la thèse se focalise sur trois problèmes. Dans un premier temps, en alliant mesures expérimentales de la dispersion du pathogène et simulations d’un modèle stochastique spatialement explicite, nous montrons que la croissance de l’hôte peut induire un changement dans le comportement du système qui, dans certains cas, devient invasif alors qu’il était initialement non-invasif. Dans un second temps, sur la base de mesures expérimentales nous proposons un modèle âge-dépendant de la distribution de la période d’incubation qui est utilisé pour relier les infections cachées et les observations de maladie. Le comportement cryptique des épidémies est ensuite étudié par simulation d’un modèle spatial hiérarchique qui intègre la période d’incubation. Dans un troisième temps, un modèle spatialement implicite est utilisé pour estimer les taux d’infection à partir de données temporelles de maladie et pour analyser les effets de la biofumigation sur les épidémies. Ces paramètres sont ensuite utilisés pour prédire le développement stochastique des épidémies à partir d’un modèle spatial individu-centré. Les résultats confirment que la biofumigation ne permet qu’un contrôle partiel des épidémies mais suggèrent que ce contrôle biologique diminue l’incertitude autour du développement cryptique de la maladie. Pour finir, les résultats de ces travaux sont discutés et les perspectives qu’ils suscitent sont présentées
Nowadays it is still difficult to predict and control the spread of soilborne diseases that cause substantial damage in crop systems. The aim of this epidemiological interdisciplinary work is to propose models for the spatio-temporal spread of soilborne pathogens in order to point out key parameters for the control of soilborne diseases. This thesis considers the spread of Rhizoctonia solani on sugar beet as an example pathosystem and focuses on three main problems. First, we use experimental measures of the dispersal of the pathogen to parameterise a stochastic spatially explicit model and we show that host growth can trigger the development of epidemics by causing a switch from non-invasive to invasive behaviour. Second, using experimental data we build an age-varying model for the distribution of the incubation period that links hidden infections and above-ground observations of the disease. Then, we investigate the cryptic behaviour of epidemics by using a hierarchical model that considers a realistic incubation period. Third, we use a spatially-implicit model to estimate rates of infection from temporal disease data, and, to analyse the effects of biofumigation on epidemics. These parameters are integrated into an individual-based model to predict the stochastic development of epidemics. Our results confirm that biofumigation only permits a partial control and suggest that this biological control reduces uncertainty of the cryptic development of the disease. To finish with, we discuss the results of the thesis and we present the perspectives of this work