基于知识图谱的认知神经科学前沿与演化研究

发布时间：2024-11-08

军事医学科学院院刊 2010年2月第34卷第1期 BullAcadMilMedSc,iVol34,No1,Feb,2010 71

张明华,雷二庆

专题报道

[摘要] 目的分析认知神经科学的前沿热点和演化脉络。方法基于Java平台的知识图谱分析软件CiteSpace 。结果运用可视化分析对包括作者、机构、国别、关键词、被引文献等节点的分析,明确了开展认知神经科学研究的参照对象、准确识别到学科研究的前沿热点、快速确定了作为认知神经科学研究基础的经典文献、关键文献等。结论快速把握学科发展趋势、探测学科演进过程中的重要变化对于拓展认知神经科学研究具有重要指引作用。[关键词] 认知神经科学;知识图谱;可视化;CiteSpace[中图分类号] R338

[文献标志码] A

[文章编号] 1000-5501(2010)01-0071-05

Frontierandevolutionofcognitiveneurosciencebasedonknowledgemapanalysis

ZHANGMing-hua,LEIEr-qing

(DepartmentofS&T,AcademyofMilitaryMedicalSciences,Beijing100850,China)

*Correspondingauthor,Te:l010-66930154,E-mai:lleieq@http://

[Abstract] Objective Toanalyzethefrontierandevolutionofcognitiveneuroscience.Methods CiteSpace wasrunningonJavaplatform.Results Byanalyzingthenodetypes,suchastheauthor\institution\country\keyword\citedre-ferencewiththetoolofInformationVisualization,thecriticalsubjectforreferenceandthefocuseswerequicklydefined,andthebasicliteratureandthekeyliteratureofcognitiveneurosciencewerespecificallydeterminedandcarefullyreviewed.Conclusion Keepingtrackoftheevolutiontrendsandsignificantchangeswillcontributetodevelopmentofcognitiveneu-roscience.[Keywords]

cognitiveneurosciences;knowledgemapping;visualization;CiteSpace

一门科学,认知神经科学引起世界各国的高度关注。美国率先推出了脑的十年研究计划,随后欧共体、日本及其他发达国家先后开展了脑科学计划、国际人类前沿科学计划等大型研究计划[2],认知神经科学已经成为当今发达国家展开科学竞逐的一个重要前沿领域。

兴起于20世纪90年代的认知神经科学,经过20年的快速发展,无论是在基本理论还是在研究方法上,都取得了较大进展和重要成就,它已经成为21世纪科学发展的重要前沿领域之一。本研究运用知识可视化技术对认知神经科学的文献进行了分析,并绘制了相应的知识图谱,以期对该学科的发展脉络和演化进程有所把握。

1 认知神经科学的兴起

20世纪50~60年代,随着心理学家乔治米勒、语言学家乔姆斯基、图灵奖获得者纽厄尔以及人工智能专家赫伯特西蒙等的共同努力,认知科学初步成形。20世纪70年代后期,由乔治米勒和加扎尼加共同提出认知神经科学 [1],把认知科学的理论基础建立在实验心理学、神经心理学和神经科学之上,认知科学与神经科学实现初步融合,交流日趋密切,一个新的交叉学科开始萌芽。功能磁共振成像(MfRI)、脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)和正电子断层扫描术(PET)等技术的应用,极大地推进了认知神经科学的发展。作为揭示大脑工作奥秘、探索智能产生、发展与运作的

[作者简介] 张明华,男,助理研究员,研究方向:科技发展战略与科技管理,Te:l010-66930301,E-mai:ltozmh@http://[作者单位] 军事医学科学院科技部,北京 100850[] ,l,E-mai:ll@com

2 数据获取

在WebofScience(WoS)数据库中,以 cognitiveneuro-science 为检索词,检索范围为主题 ,文献类型选择ARTI-CLEORPROCEEDINGSPAPERORREVIEWORMEETINGABSTRACT,时间跨度为1986~2009。数据库=SCI-EX-PANDED,CPCI-S,IC,CCR-EXPANDED,共检出1193条记录。数据获取时间为2009年10月26日。

认知神经科学研究兴起于20世纪90年代,但WoS数据库从1995年才开始收录数据。图1表明,认知神经科学文献数量逐年增长趋势明显,学科呈现蓬勃发展态势。按照文献出处排序,由麻省理工学院出版的JournalofCognitiveNeuroscience杂志居第一位,Neuroimage、TrendsinCognitiveSciences、Neuropsychologia、AnnalsoftheNewYorkAcademyofSciences依次紧随,这5本杂志囊括了该学科20%以上的文,

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4 分析结果

4.1 认知神经科学的研究主体

CiteSpace 软件在可视化分析过程中,引用环可视图生动形象并可解释,节点大小与发表文献的数量成正比。图2表明,在认知神经科学研究领域发表文献数量居前十位的科学家依次是:Schacter(哈佛大学)、Pascua-lLeone(哈佛大学)、Decety(芝加哥大学)、Pulvermuller(剑桥大学)、Shtyrov(剑桥大学)、Spitzer(海德堡大学),Barch(华盛顿大学)、

图1 1995~2009年认知神经科学文献数量增长情况

Naatanen(赫尔辛基大学)、Tyler(剑桥大学)、Grafman(NIH)。从国别来看,美、英、德、法、加拿大、意大利等国在认知神经科学研究方面产出丰厚,美国在认知神经科学研究领域的产出居于优势地位。各节点间的连线表示合作发表论文,从图中连线情况还可以看出,欧洲国家间的合作相对比较密切。从研究机构分析,哈佛大学、伦敦大学学院、加州大学洛杉矶分校、华盛顿大学、赫尔辛基大学等在认知神经

科学研究领域居于前列。

3 分析工具

选择CitesSpace (2.2R3)软件作为知识图谱分析工具。在对数据进行分析时,选择 timeslicing 值为2,即选择每两年为一个时间间隔进行处理,分段处理有利于辨识学科演进的突出拐点和学科前沿的动态模式,同时提高软件运行速度和准确度[3]。

图2 研究认知神经科学的科学家(A)、国别(B)和机构(C)分布图谱

图3显示不同研究机构的研究方向亦各有侧重。剑桥大学及英国医学研究中心(MRC)主要开展记忆追踪研究(#3),赫尔辛基大学和耶鲁大学重点研究脸部识别问题(#6),华盛顿大学侧重药物多巴胺依赖性研究(#8),美国国立精神卫生研究所(NIMH)进行人脑3D磁共振成像研究(#10);伦敦大学学院主要进行自闭症研究(#14),费城大学和加拿大麦吉尔大学则主要进行关键方法研究(#16),牛津大学主要开展上丘脑研究(#17)。加州大学洛杉矶分校(#9)和哈佛大学的研究领域(#18)均显示为认知神经科学,这与其研究

赫尔辛学引用环内侧呈现深红色,突显性较强,说明近年这两所大学在认知神经科学研究领域处于非常活跃的状态。4.2 认知神经科学的研究热点

CiteSpace 软件能使用户更容易辨认关键点,在可视化网络中用紫色外圈突出显示,辨认关键点可以快速抓住少数有意义的关键点进行研究。基于突显频率的关键词分析能够揭示研究的热点,图4显示,认知神经科学从整体水平显示为科学研究的一个热点领域,以前额叶皮质、大脑、活化为主的神经科学从较小的子系统水平进行物质活动层面的研的认知对复

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体性行为水平,它们分别从两个方向展示了认知神经科学研究的具体落脚点。PET作为非入侵性的核医学成像技术,是

连接认知科学与神经科学的节点和纽带,作为认知神经科学研究的重要工具,

在图谱中的枢纽节点作用也得到展示。

4.3 认知神经科学研究基础

通过文献共被引网络图谱,可以对被引文献进行引用频次的排序和中心性的排序分析。引用频次的高低可以反映文献的经典程度和价值,而中心性的高低则反映了节点文献对于认知神经科学研究的转折性意义和枢纽作用。4.3.1 经典文献对被引参考文献(citedreference)的可视化分析(图5)显示:Talairach1988年的著作Co-PlanarSter-eotaxicAtlasoftheHumanBrain被引频次最高。该书通过解剖和磁共振分层技术,实现了在三维空间对大脑结构的定位与分层,为认知神经科学研究确立了一个基本的参照系统,为神经科学研究人员广泛接受,基于此,出现了多种电子版本的Talairach脑图谱和响应软件,该文献由此成为认知神经Oldfield发表在Neuropsychologia(1971)的文章优势手的评估和分析:爱丁堡量表(Theassessmentandanalysisofhandedness:theEdinburghinventory) ,运用爱丁堡优势手量表对于人类左右手使用偏好进行了分析,讨论了包括性别、文化、经济地位等差异的重要影响。目前,由他首次创立的爱丁堡优势手测量法在许多科学研究领域得到应用,这篇文章被引频次仅低于Talairach的那部著作,是认知科学研究的经典文献。

被引次数居第三位的是Walsh于2000年在自然评论:神经科学发表的文章经颅磁刺激(TMS)与认知神经科学(Transcranialmagnetic

stimulation

and

cognitiveneuro-science) 。经颅磁刺激作为一种无痛、无损伤、操作简便、安域都有应,作

者就TMS在认知神经科学应用中的重要问题进行了讨论,概括分析了这项技术在神经心理学的应用进展,并对认知神经科学研究中TMS与其他脑成像技术和方法的应用策略进行了展望。

芬兰赫尔辛基大学的Naatanen教授1999年在心理学简报上发表的文章认知神经科学中听觉刺激表示的概念(Theconceptofauditorystimulusrepresentationincognitiveneuroscience) 被引频次居第四位;1995年,他在EarHearing发表的文章失匹配负波:认知神经科学的一个强大工具(Themismatchnegativity:

apowerfultoolforcognitiveneuro-science) 被引排名第五。失匹配负波是Naatanen等1978年在研究听觉ERP时首先发现并报道的[4],它来源于皮质,与感知联系十分紧密,可以用复合声音如言语声诱发,用于确定对声音的辨别能力,显示听觉感知处理障碍。Naatanen领军听觉感知领域的研究,并独成一体,这在可视化图谱中也有显示。

Pascua-lLeone于2000年在神经生物学新观点上发表的文章认知神经科学中的经颅磁刺激:虚拟损伤、计时法和功能联系(Transcranialmagneticstimulationincognitiveneuro-

science-virtuallesion,chronometry,andfunctionalconnectiv-i

ty) 被引排名第六,这篇与Walsh合作的文章对15年前由Barker引入的经颅磁刺激的重要作用给予充分肯定,作为目前唯一能够实现对大脑功能实施干预的方法,经颅磁刺激有助于调查焦点皮质活动与行为之间的关系,追踪一个特殊皮质区应对一项给定任务的联动关系,通过分析脑区之间的功能联系,有望重塑人类脑与行为关系的研究。

Tulving1985年发表在加拿大心理学杂志的文章记忆与意识(Memoryandconsciousness) 被引排名居第七位。他将长时记忆分为情景记忆和语义记忆,并认为记忆的存储和提取是两个彼此独立的功能,在人类记忆方面的研究贡献奠定了他在认知神经科学研究中的重要地位。

4.3.2 关键文献在文献共被引网络的演进关系中,通常会出现对该领域研究起到转折点作用的节点文献,我们称这样的文献为关键节点文献[5]。它们是不同文献群之间的枢纽节点,通常具有较高的中心性,起到连接和过渡桥梁作用。如图6所示,图谱中包含8个中心性大于0.1的关键节点,这些关键节点文献能大体反映认知神经科学研究的演进分

化方向。

中心性最高的文献是Raichle1994年发表在CEREBCORTEX(牛津大学)上的文章非机动学习过程中实践引起的人脑功能解剖学变化(Practice-relatedchangesinhumanbrainfunctionalanatomyduringnonmotorlearning) ,研究运用PET技术观测了两组人员在学习过程中脑区的变化情况,结果显示,新的任务能够有效地的激发大脑相关区域(前扣带皮质、左前额叶、左后颞叶、右小脑半球)的活动,证明新任务的实践过程能够实现能力的提升。

中心性排第二位的是Brewer1998年发表在Science的文章制造记忆:预测视觉经历如何被记住的大脑活动(Makingmemories:brainactivitythatpredictshowwellvisualexperiencewillberemembered) 。人类对于记忆形成的神经机制还不大清楚,研究人员试图用功能磁共振技术分析大脑记忆形成的活动机制,结果表明,右前额皮质和双侧海马趾的焦点活动情况能够预测记忆形成的牢固程度。

网络中的中心度与被引次数二者间并非线性关系。如前所述,Talairach和Oldfield的著作被引频次居前两位,但由于文献发表相对较早,其中心性退居第三和第四位。Ta-lairach的脑图谱作为开展神经科学研究一个标准参照,为近年来人脑三维数字化图谱的建立奠定了坚实的基础。Old-field首创的爱丁堡量表,对神经心理学研究做出突出贡献,在多个领域得到广泛应用。作为认知神经科学的经典文献,它们对开创新的研究领域、引领新的研究方向起到了至关重要的作用。

Kanwisher发表在神经科学杂志的文章纺锭状脸部区域:脸部识别的外条纹皮质模块(Thefusiformfacearea:amoduleinhumanextrastriatecortexspecializedforfacepercep-tion) 运用功能磁共振成像技术开展脸部识别的研究,以大脑作为解构人类心灵的窗口,通过研究建立起大脑皮质区域与脸部感知间的联系,开创了认知神经科学研究的一个重要探索方向。

Decety2003年发表在认知科学发展趋势的文章自我与他人的共享表征:一个社会认知神经科学的观点(Sharedrepresentationsbetweenselfandother:asocialcognitiveneuro-scienceview) 中心性排第六位。文章从进化科学、社会心理学和神经科学的角度,对人际关系的研究进行了探讨,研究认为神经网络中右脑顶叶皮质和前额皮质在人际关系中扮演特殊的角色。

美国心理学家Posner则专注于注意力研究。1990年发表在神经科学年度评论的文章人脑的注意力系统(Theattentionsystemofthehumanbrain) 中心性排名第七。这篇文章主要研究与选择性地注意到有关的神经系统结构和功能的发展,以及人在获取新技能的过程中大脑所发生的变化[6]。该文1989年就被美国国防技术信息中心收录(ADA206157)[7],其潜在军事价值可见一斑。

发表200余篇科学论文[8],作者共引频次最高的Schacter教授1996年在ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences发表的文章意识回忆与人脑海马形成:来自于PET的证据(Consciousrecollectionandthehumanhippocampalformation:evidencefrompositronemissiontomography) 中心性居第八位。文章运用正PET技术,通过控制在学习阶段刺激的不同加工水平,探讨海马在高、低水平成功提取中的作用。PET数据揭示,与基线条件相比,高回忆条件中海马的血流动力增加,而在低回忆条件中没有类似现象。

5 结语

运用可视化分析研究交叉学科尤其是新的研究领域,对包括科学家、机构、国别等研究主体的分析,有助于快速明确开展科学研究的追踪参照对象;对关键词的分析有助于准确把握学科研究的前沿热点。通过被引经典文献对研究基础的确定、通过被引关键文献对研究热点方向的识别,能够反映认知神经科学的发展趋势,探测其演进过程中的重要变化。

通过CiteSpace软件对文献共被引网络图谱的可视化分析: 从被引文献的引用频次,生动形象地突出显示了诸如磁共振成像、爱丁堡量表、经颅磁刺激、失匹配负波等对认知神经科学研究具有奠基意义的技术方法,以及作为认知神经科学研究基本参照的Talairach脑图谱等具有里程碑意义的经典文献; 从被引文献的中心性排序,突出显示了认知神经科学主要分支领域,如脑的学习机制、记忆的形成、面孔识别、人际关系社会认知、注意力等的关键节点文献,从而使我们对认知神经科学演化发展的脉络有了准确把握。参考文献

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