« Un doctorant américain en statistiques sur deux,
Un doctorant en mathématiques sur six s'oriente vers la recherche en sciences biomédicales.
Les mathématiques, à la rencontre de la vie à l'avant-garde de la révolution scientifique du XXIe siècle !

★ Recommandé par le professeur Jaeseung Jeong, neuroscientifique à KAIST ★
★ Recommandé par le professeur Kwon Oh-nam du département de didactique des mathématiques de l'université nationale de Séoul ★
★ Recommandé par le professeur Eun-Yeon Joo, du département de neurologie de l'hôpital Samsung de Séoul ★

Un mathématicien se rendant à son travail dans un hôpital,
Le professeur Jae-Kyung Kim de KAIST partage la véritable « utilité » des mathématiques.

Les mathématiques, qui ont joué un rôle actif en physique au XIXe siècle et en chimie au XXe siècle, sont à la tête de la révolution scientifique dans les sciences de la vie au XXIe siècle.
Aux États-Unis, un doctorant en statistiques sur deux et un doctorant en mathématiques sur six obtiennent déjà leur diplôme grâce à la recherche biomédicale, et pour suivre cette tendance, la National Science Foundation a récemment créé des centres de recherche en biologie mathématique dans l'est, le centre, l'ouest et le sud des États-Unis.
Cependant, malgré la croissance rapide de la biologie mathématique, qui intègre les mathématiques à la médecine et aux sciences de la vie, il n'existe pratiquement aucun ouvrage expliquant comment les mathématiques sont réellement utilisées pour comprendre les phénomènes de la vie, et même la plupart des étudiants et des lecteurs qui apprécient les mathématiques ou la biologie n'ont aucune idée de ce qu'est la biologie mathématique.
L'auteur, professeur de sciences mathématiques à KAIST et mathématicien qui explore les phénomènes de la vie à l'aide de modèles mathématiques à la pointe de la biologie mathématique, explique dans ce livre comment les mathématiques sont concrètement appliquées à divers problèmes liés aux rythmes biologiques, au développement de nouveaux médicaments, aux cycles du sommeil et aux pandémies.
En tant qu'enseignant spécialisé dans l'enseignement des mathématiques, il démontre de manière éloquente aux étudiants intéressés par la médecine, les sciences de la vie et les mathématiques les compétences et les qualités requises par notre époque, ainsi que la véritable utilité et la beauté des mathématiques, à travers ses propres expériences.

Le calcul infinitésimal, théorie mathématique fondamentale permettant de comprendre et de prédire le système vivant en constante évolution, ne s'apprend qu'après avoir surmonté de nombreux obstacles et étudié les mathématiques pendant plus de dix ans, de l'école primaire au lycée.
Cependant, le calcul différentiel et intégral est tellement problématique pour de nombreux élèves que chaque année, des voix s'élèvent pour réclamer sa suppression afin de réduire le nombre d'élèves qui abandonnent les mathématiques, les fameux « décrocheurs en maths ».
En effet, pour maîtriser le calcul différentiel et intégral, il est nécessaire de connaître divers concepts mathématiques tels que les suites, les limites et les séries.
Cependant, même sans connaître ces mathématiques complexes, il n'est pas difficile de comprendre l'essence du calcul, et même d'aller plus loin et de l'utiliser pour résoudre des problèmes en sciences de la vie.
--- p.25~26

Dans ce chapitre, nous aborderons ce problème de deux manières.
L'une des solutions consiste à faire appel à notre intuition, l'autre à utiliser des ordinateurs.
La description mathématique d'un phénomène afin qu'un ordinateur puisse le comprendre s'appelle la « modélisation mathématique ».
À partir de maintenant, j'aimerais présenter une méthode de modélisation mathématique basée sur le calcul différentiel et intégral, c'est-à-dire une méthode permettant de traduire le langage des sciences de la vie en mathématiques afin que les ordinateurs puissent le comprendre.
Ce chapitre contient le plus grand nombre de formules mathématiques de l'ouvrage ; il peut donc s'avérer quelque peu difficile. Toutefois, si vous en comprenez le contenu mathématique, vous serez en mesure d'aborder et de résoudre, sous un angle nouveau, divers problèmes de sciences biomédicales traités dans les chapitres suivants.

--- p.38~39

Presque tous les êtres vivants, des bactéries aux insectes, en passant par les plantes et les animaux, possèdent ces rythmes circadiens, et pas seulement les humains.
Comment les êtres vivants font-ils pour connaître l'heure et maintenir leurs rythmes circadiens ? Au début, je pensais qu'ils suivaient simplement le cycle du jour et de la nuit créé par la rotation de la Terre, mais il s'est avéré que c'était à moitié vrai et à moitié faux.
Car nous pouvons confirmer que les rythmes circadiens sont maintenus pendant plusieurs semaines même lorsque des êtres vivants sont placés dans un environnement obscur sans jour ni nuit.
Par exemple, de nombreuses plantes lèvent leurs feuilles pendant la journée pour recevoir davantage d'énergie de la lumière du soleil, et ce mouvement périodique des feuilles se produit même dans une pièce sombre.
Même dans un environnement sombre, les rats se réveillent et se rendorment environ toutes les 23,7 heures, tandis que les humains se réveillent et se rendorment environ toutes les 24,2 heures.
Ces résultats de recherche suggèrent que les systèmes vivants possèdent un mécanisme qui leur permet de mesurer le temps indépendamment de leur environnement, et le prix Nobel de physiologie ou médecine 2017 a été décerné pour la découverte de ce mécanisme et de ses mécanismes moléculaires.
--- p.63~65

En 2007, Pfizer a découvert le PF-670462, un nouveau médicament candidat qui régule l'horloge biologique du corps.
Ce produit va dérégler votre horloge biologique, la retardant de quelques heures.
Mais ce médicament possédait des propriétés uniques.
L'effet variait de plus de trois fois selon le moment de la journée où le médicament était pris.
Si vous le prenez à 6 h du matin, l'effet est le plus faible et l'horloge est reculée d'environ une heure. Si vous le prenez à 18 h, l'effet est le plus fort et l'horloge est reculée d'environ trois heures.
Comme l'horloge biologique ciblée par ce médicament change tout au long de la journée, son efficacité varie selon le moment de la prise.

De plus, l'efficacité était moindre dans un environnement réel avec alternance jour/nuit que dans un environnement sombre.
L'horloge biologique, régulée par des médicaments, tente de revenir à son état initial lorsqu'elle reçoit des informations lumineuses de l'environnement.
Par conséquent, même si vous parvenez à réguler votre horloge biologique grâce à ce médicament, si vous ne le prenez pas régulièrement, votre horloge biologique reviendra à son état initial.
C'est vraiment fascinant qu'il existe un médicament dont les effets changent en fonction de la lumière.
Naturellement, on pouvait s'attendre à ce que les effets du médicament diffèrent selon qu'il soit pris pendant les longues journées d'été ou les courtes journées d'hiver.
On s'attendait également à ce que l'efficacité du médicament varie en fonction de la quantité de lumière à laquelle la personne qui le prenait était normalement exposée (et du temps qu'elle passait à regarder son smartphone tard le soir).


En résumé, on s'attendait à ce que l'effet varie en fonction du moment de la journée où le médicament était pris et de la quantité de lumière à laquelle la personne était exposée.
Cependant, tester l'efficacité des médicaments dans toutes ces conditions complexes engendrait des coûts astronomiques, ce qui expliquait les difficultés rencontrées par Pfizer pour développer de nouveaux médicaments.
Si Pfizer a demandé au professeur Daniel Forger de collaborer, c'est pour utiliser un modèle mathématique afin de surmonter cette situation.
Car tester les effets des médicaments à l'aide de modèles mathématiques ne coûte de l'argent que pour l'électricité des ordinateurs.

--- p.119~120

Les professeurs Eun-Yeon Joo et Soo-Jeong Choi étudient cette question depuis longtemps, et si le professeur Eun-Yeon Joo m'a contacté pour la première fois à l'été 2018, c'est à cause de la somnolence diurne.
Nous avons suivi le sommeil des infirmières travaillant par roulement au Samsung Medical Center à l'aide de montres connectées pendant plusieurs semaines, et les résultats ont été différents de ce à quoi nous nous attendions.
Nous pensions qu'à mesure que le temps de sommeil moyen augmenterait et que divers indicateurs du sommeil, tels que l'efficacité du sommeil, s'amélioreraient, la somnolence pendant le travail posté disparaîtrait naturellement, mais cela n'a pas du tout été le cas.
Par exemple, en traçant le temps de sommeil moyen et la somnolence diurne des infirmières travaillant par quarts au Samsung Medical Center, comme le montre la figure 5.1, on ne peut pas dire que plus le temps de sommeil moyen est long, plus le niveau de somnolence est faible.
Des recherches complémentaires ont révélé que des études menées à l'étranger ont tenté de prédire la somnolence diurne des travailleurs postés à l'aide de dizaines d'indicateurs de sommeil, mais toutes ont échoué.
Quand on sait qu'un problème n'a jamais été résolu auparavant, on s'y intéresse.
Mon cœur s'est emballé à l'idée que les mathématiques puissent détenir la clé de ce mystère.
--- p.149~150

Selon les prévisions, si les mesures de distanciation sociale assouplies en vigueur à l'époque ne pouvaient être maintenues en les renforçant, il serait préférable de les lever immédiatement.
Les résultats ont été annoncés en février 2022, et j'ai eu très peur jusqu'à la veille de leur annonce.
Il est facile de plaider en faveur du maintien de la distanciation sociale, mais il faut du courage pour plaider en faveur de sa levée.
J'avais peur que les prédictions soient erronées et que la levée des mesures de distanciation sociale conduise à une catastrophe.
Même lors d'interviews avec des journalistes après l'annonce, il a répété à plusieurs reprises qu'il était prudent.
Cependant, contrairement aux craintes, la réaction à cette annonce a été tiède.
Le pays tout entier restait concentré sur la prévention de la propagation du COVID-19, et la levée des mesures de distanciation sociale était totalement hors de question.
Cependant, comme je l'ai mentionné au début de ce chapitre, l'article s'est rapidement propagé via Twitter et a suscité beaucoup d'attention à l'étranger.

Heureusement, les prédictions semblent s'être avérées assez précises, comme en témoignent les données publiées au Japon en 2023, deux ans après la publication de l'étude.
Comme le montre le graphique de la figure 6.4, le nombre de cas confirmés a augmenté rapidement après la levée des mesures de distanciation sociale, tandis que la proportion de patients gravement malades a diminué de manière significative pour atteindre presque zéro, ce qui a conduit à une diminution du nombre de patients gravement malades.
La prédiction mathématique selon laquelle la levée des mesures de distanciation sociale réduirait en réalité le nombre de patients gravement malades, ce qui contredit notre intuition, s'est avérée exacte.
Ces résultats devraient s'avérer utiles pour l'élaboration de politiques de quarantaine pour les maladies infectieuses émergentes à l'avenir.
Une autre application utile du calcul différentiel et intégral.

--- p.191~192