布蘭迪用注射器的針尖戳著勺子裡一塊灰色的海洛因。這是一種過去幾天才出現在市場上的新品種毒品，布蘭迪很喜歡。“我感覺更強烈，我感覺更耐痛，”她說。一旦它溶解成液體，她就將其注射到自己的手臂中，然後用一支新的針頭給另一位婦女的細胳膊注射。“她比醫院做得更好，”那位婦女評論道。“我會幫助任何需要幫助的人，”布蘭迪向加州大學舊金山分校的公共衛生研究員丹尼爾·西卡龍解釋道，他一直在拍攝整個過程。
西卡龍的團隊已經和布蘭迪（她在本文中使用了化名）一起在西弗吉尼亞州查爾斯頓進行實地考察，記錄她的互動，不帶評判或干預。稍後，該小組將分析這段影片，以及來自該市各地毒品使用者的其他六段影片，記錄大大小小的細節。例如，布蘭迪沒有在勺子上加熱溶液，這可能會增加傳播艾滋病毒等病毒的可能性。測試顯示，她服用的東西摻雜了芬太尼，這是一種合成藥物，效力是海洛因的 50 倍。
研究人員會將這些資料輸入到查爾斯頓的強大計算機模擬中，模擬中充滿了成千上萬的虛擬布蘭迪——海洛因使用者和毒販過著他們的日常生活。他們將觀察這些數字代理人隨著耐受性的增加而購買更多的海洛因，與賣家和使用者建立聯絡，並在某些情況下意外過量服用。
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西卡龍的研究小組是使用基於代理的模型來了解美國阿片類藥物流行病（過去二十年中阿片類藥物使用量急劇上升，包括處方止痛藥和海洛因等非法藥物）驅動因素的幾個小組之一。透過研究真實毒販和使用者的動機和行為，研究人員希望構建在虛擬世界中行為模仿現實生活的代理。
與基於平均人口的標準模型相比，基於代理的模型有望提供更精細的阿片類藥物危機視角，並捕捉驅動力的一些複雜性。這可能對證明開設或關閉美沙酮診所或針頭交換所的效果非常重要。這些模型使科學家能夠以幾乎零成本比較干預措施，並可以幫助政策制定者決定如何在現實世界中採取行動。“這是一種非常經典和有用的方法，可以嘗試找出部署干預措施以產生最大效果的最佳地點，”美國疾病控制與預防中心艾滋病毒/艾滋病預防部門的醫學顧問約翰·布魯克斯說。
儘管此類模擬長期以來一直用於模擬疾病爆發，並且在某些情況下指導了公共政策，但它們在更復雜的社會行為（如吸毒）方面的記錄有限，這主要是由於資料稀少以及需要考慮的引數範圍廣泛。
儘管如此，科學家們希望基於代理的模型可以為決策者制定方案，而決策者通常更多地受到政治而非資料的驅動。“障礙不是科學或醫學方面的，”西卡龍說。“你可以向西弗吉尼亞州投入 10 億美元，但他們可能不知道如何好好利用這筆錢。”紐約大學基於代理的建模實驗室主任約書亞·愛潑斯坦說，這些虛擬世界可以增加清晰度。“你可以親眼目睹事情的展開，”他說。
細節決定差異
據估計，美國阿片類藥物危機每天導致 115 人死於過量服用，自 2001 年以來，已造成 1 萬億美元的醫療保健成本和生產力損失。這不是美國面臨的第一次成癮危機，也不是最嚴重的。酒精使用導致更多的死亡，而非裔美國人可卡因過量服用的比率與白人美國人阿片類藥物過量服用的比率相似。
俄亥俄州沃倫的失業率和阿片類藥物成癮率都很高。這裡是一家倒閉的商店的窗戶內畫著一面美國國旗。圖片來源：斯賓塞·普拉特，Getty Images
但阿片類藥物危機確實有一些不同的驅動因素，包括處方藥的普遍存在（許多人在濫用非法藥物的過程中使用過處方藥）以及芬太尼的引入（芬太尼通常用於提高海洛因的效力，並且是造成大量過量死亡的原因）。疫情也嚴重打擊了農村地區，這些地區應對成癮的服務和基礎設施匱乏。“現在的人口統計範圍涵蓋了過去未受到如此影響的人群，”美國國家藥物濫用研究所所長諾拉·D·沃爾科夫說。
因此，研究人員正在提出思考這場危機的新方法。例如，它與疾病流行病具有相似之處，因為它透過基於人際關係和物理距離的網路傳播，非營利性研究機構 RTI International 的資料科學家喬治·博巴舍夫說，該機構位於北卡羅來納州研究三角園區。“沒有人天生成癮。必須有人教你如何吸菸或如何注射。”
可以使用基於代理的建模來複制這些個人網路。與其他型別的模型（可能依賴於平均特徵或同質群體之間的關係來為演算法提供資訊）不同，基於代理的模型允許研究人員看到人與人之間微妙的聯絡。“這很有用，因為吸毒和過量服用本質上是個人行為，”布朗大學的流行病學家布蘭登·馬歇爾說。失業、精神健康或遺傳等因素可能會影響一個人開始吸毒或成癮的可能性，但如果研究人員將整個人口視為一個整體，這些因素可能會在平均值中消失。
為了建立基於代理的模型，研究人員首先“構建”一個虛擬城鎮或地區，有時基於真實地點，包括學校和食品店等建築物。然後，他們使用人口普查資料用代理填充它，為每個代理提供自己的特徵，例如年齡、種族和收入，並將代理分佈在整個虛擬城鎮中。
代理是自主的，但在預先程式設計的例程中執行——例如，每週工作五次。有些行為可能更隨機，例如每天有 5% 的機會曠工，或者有 50% 的機會在代理的網路中遇到某人。一旦系統儘可能真實，研究人員就會引入一個變數，例如流感病毒，其傳播速率和模式基於其現實生活中的特徵。然後，他們執行模擬以測試當學校關閉或開始疫苗接種運動時代理的行為如何變化，重複數千次以確定不同結果的可能性。
2015 年，匹茲堡大學開發的基於代理的模型的資料幫助加利福尼亞州參議員理查德·潘獲得了對他所在州強制疫苗接種法案的支援。潘使用模擬向他的參議員同事展示麻疹疫情如何在他們的家鄉地區蔓延。“這肯定對他們產生了影響，”潘說。“[該模型] 可以使其更加具體，而不是僅僅用更抽象的術語來描述它。”該法案最終獲得透過，免疫接種率有所提高。
隨著計算機的改進，研究人員已開始調整基於代理的模型，以研究需要更多計算能力的社會學和行為趨勢，因為它們包含的變數數量更多。一些團體將該技術用於危機建模，澳大利亞已開始根據基於代理的模型的調查結果對兒童肥胖症進行干預研究。
為了應對阿片類藥物流行病，博巴舍夫的團隊構建了“疼痛小鎮”——一個通用的城市，擁有 10,000 名慢性疼痛患者、70 名毒販、30 名醫生、10 個急診室和 10 家藥房。研究人員在模擬的五年內執行該模型，記錄每個虛擬日情況的變化。
在此期間，患者的藥物耐受性增加，導致他們尋找不同的方式獲取藥物。他們的行為受多種變數驅動，例如醫生增加處方藥的可能性或毒販有足夠海洛因的可能性。在某個閾值，患者會成癮或更有可能過量服用。例如，博巴舍夫的早期資料表明，要求醫生跟蹤患者的用藥史在長期內可能有效，但並非立竿見影。
博巴舍夫說，該模型包含許多假設和簡化。例如，它沒有捕捉到人們產生耐受性和成癮的速度可能取決於遺傳學等因素，以及一個人是否從處方藥轉向海洛因可能取決於兩種藥物的相對可用性。
但是，研究人員可以調整“疼痛小鎮”等模型來測試各種干預措施，例如增加急診室的開放、逮捕毒販或為警察配備納洛酮（一種逆轉阿片類藥物過量的藥物），以瞭解系統的反應以及它是否會影響長期死亡人數。隨著模型變得越來越複雜，研究人員或許能夠納入更多因素，例如不服用止痛藥但容易首次嘗試阿片類藥物的人。
弗吉尼亞理工大學的計算機科學家克里斯托弗·巴雷特說，模型還可以用於瞭解為什麼個別地點或情況可能有所不同。例如，海洛因和芬太尼可能更容易在港口附近的城市獲得，而醫生可能是郊區或農村地區阿片類藥物的主要來源。因此，側重於處方行為的干預措施在每種情況下都會產生不同的效果。
執法官員在紐約州的一次重大緝毒行動中查獲了 33 公斤海洛因和 2 公斤芬太尼。圖片來源：德魯·安格勒，Getty Images
此類模型還可以揭示反饋迴路，例如經濟衰退與阿片類藥物使用之間的聯絡。一些流行病學研究表明，失業等因素往往會預測自殺和成癮，尤其是在白人男性人群中。成癮會導致進一步的失業和生產力下降，從而損害經濟。巴雷特說，基於代理的模型可以調查此類迴圈，為如何減輕影響提供思路。
今年 5 月，博巴舍夫和西卡龍在加拿大溫哥華舉行的國際藥物政策研究學會會議上展示了他們基於代理的模型之一的結果。他們的研究結果表明，白粉海洛因（美國一種較新的毒品形式）的日益流行可能會增加註射吸毒者中艾滋病毒傳播的風險。該模型也支援的理由是，與黑焦油海洛因不同，使用者不需要加熱毒品來溶解它——而加熱會殺死病毒。
博巴舍夫和西卡龍正在研究年輕海洛因使用者如何開始吸毒的模型。與經歷過 20 世紀 80 年代艾滋病毒流行病的老年使用者不同，新使用者可能不太可能採取安全措施。模型表明，美國可能會看到更多區域性性的艾滋病毒爆發，類似於最近印第安納州斯科特縣的爆發。該地區在 2014 年 11 月至 2015 年 11 月期間經歷了 181 例新的艾滋病毒病例，而此前每年少於 5 例。阿片類藥物的使用被認為是原因。基於代理的模型可能透過指導監測重點來幫助阻止未來的疫情爆發。
執法官員一直在查獲大量海洛因和強效合成藥物芬太尼，但關於流通量的訊息很難獲得。
最先進的基於代理的模型之一是匹茲堡大學的系統，稱為 FRED（流行病動力學重建框架）。它將人口普查資料與全國地理區域地圖相匹配，使研究人員能夠以現實的方式跟蹤該地區的虛擬個體。正是來自這些模型的資料幫助說服了潘和他的參議員同事通過了關於強制疫苗接種的立法。FRED 團隊現在開始將該系統用於阿片類藥物建模，並根據歷史趨勢對其進行訓練。同樣也是醫生的潘說，他對前景很感興趣。“如果有一種方法可以實際模擬不同社群中哪些因素會產生最大的影響，那將很有幫助，”他說。
資料乾旱
這些模型在準備好被廣泛採用之前面臨著許多挑戰，主要是資料缺口。馬歇爾說，研究人員很難獲得製造商、藥房和執法機構持有的阿片類藥物處方資料。也很難獲得政府關於販毒集團以及流入該國的毒品型別和數量的資訊。其他資料根本不存在可用的形式：例如，機構可能會記錄因吸毒過量造成的死亡，但未能具體說明是哪種藥物造成的。
觀察像布蘭迪這樣的吸毒者可以更快更準確地提供某些型別的資訊。“吸毒者非常瞭解他們的化學物質，”西卡龍說。
凱斯西儲大學的文化人類學家李·霍弗研究海洛因市場並與博巴舍夫合作。他說，他的團隊和其他人正在收集的人種學資料可能有助於填補一些資訊空白：“我們試圖作為闖入者進入他們的世界，看看他們如何看待自己的生活。”他指出，在最初的尷尬期過後，吸毒者往往會變得更加誠實地對待研究人員，告訴他們關鍵資訊，例如他們如何與毒販建立聯絡以及毒品的價格。
愛潑斯坦說，瞭解吸毒者的心理也很關鍵。大多數決策模型都假設理性行為。實際上，情緒、錯誤資訊和非理性計算起著重要作用。“當你把它們放在一起時，你會得到非常不正常的動態集合。”
流行病學資料可能很快就會用於支援這些模型。美國疾病控制與預防中心和國家藥物濫用研究所已啟動了幾項關於吸毒模式的大型調查。一些州也已開始收集關於藥物過量和成癮趨勢的流行病學資訊。匹茲堡大學團隊等研究小組正在與多家衛生機構合作，將他們的研究結果整理到一個數據庫中，該資料庫可以為 FRED 和其他模型提供資訊。
但是，無論模型變得多麼先進，實施基於其發現的干預措施都是一項巨大的挑戰。模型可能會揭示政策無法輕易解決的社會經濟貢獻因素，而政治可能會阻礙已被證明有效的解決方案。今年 4 月，西卡龍不得不取消他在查爾斯頓的工作，至少目前是這樣，此前他一直合作的一家針頭交換診所因政治壓力而關閉。“他們在週三下午接待了 300 人，因為那裡有很多需求，”他說。“這是一個巨大的損失。”
越來越多的工作正在完成，以確定干預措施的相對影響。今年 4 月，美國國立衛生研究院宣佈撥款 9600 萬美元用於一個專案，該專案將與醫療保健系統和地方政府合作，在不同地點開展循證公共衛生干預措施，並在實施過程中對其進行評估。“這是第一次為特定的藥物濫用障礙這樣做，”沃爾科夫說。美國國立衛生研究院現在要求想要申請這些資金的研究人員用來自模型（包括基於代理的模型）的資料來證明他們擬議研究的規模和範圍是合理的。
但這些研究肯定需要多年才能完成。博巴舍夫說，社會不能等到科學變得完美：“等到這些資料收集完成時，將會發生數萬甚至數十萬起更多的死亡事件。”