功能性近紅外光譜應用于腦認知領域的可視化分析

熊桃,李陽,崔麗君,劉小芳,陳久容,余挺,李奉玲,魏雪梅,隆洪木

調查顯示全球認知障礙相關腦疾病負擔已超過腫瘤與心血管等疾病[1],我國60歲以上老年人輕度認知障礙患病率為15.5%,認知障礙人群總體估計約5384萬人[2],預計2050年全球重度認知障礙達1.5億人,花費將達4萬億美元[3]。研究顯示阿爾茨海默癥、血管性認知障礙等部分腦認知疾病發病機制尚不明確,輕度認知損害具有可逆性與可干預性,重度認知障礙具有不可逆和致殘性[4],因此探索腦認知疾病神經機制,促進腦認知疾病的早評估、早診斷、早治療對預防及延緩疾病發生發展、減輕社會負擔有重要意義。功能性近紅外光譜(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是基于大腦神經血管耦合機制,將近紅外光強值改變與大腦神經活動及血氧濃度變化相聯系,間接反映大腦神經元活動及其變化規律的腦成像技術[5-6]。其安全無創,且可長期監測認知過程中血流動力學變化[7],已成為當前腦認知科學研究中的熱點技術,對認知原理解析、疾病機制探索、臨床輔助診療等有重要意義[8]。廣泛應用于阿爾茨海默癥、帕金森等疾病的腦認知功能研究中[9]。但目前國內尚缺乏該技術應用于腦認知領域的挖掘與梳理,難以全面了解該技術在腦認知研究中的應用進展,本文運用科學知識圖譜可視化地呈現其發展脈絡,分析現狀及熱點趨勢,以期為后續研究提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源與檢索策略 以Web of Science核心數據庫對英文文獻進行檢索。#1：TS=(functional near-infrared spectroscopy) OR TS=(near-infrared spectroscopy) OR TS=(NIRS) OR TS=(fNIRS);#2：TS=(cognitive function) OR TS=(cognitive) OR TS=(cognitive impair- ment) OR TS=(cognitive disorder),兩檢索式間用“AND”相連接。設定出版年限為“2012～2022”。

1.2 納入排除標準與文獻篩選 納入標準：腦認知疾病;fNIRS研究;語言為“English”;文獻類型為“article”和“review”;排除標準：重復發表的文獻;無法獲取全文;會議、專利、報紙、成果。文獻篩選：將文獻導入EndNoteX9去重和匯總,由兩名研究者獨立完成并交叉核對,對有分歧的文獻,通過課題組討論共同決定,最終納入文獻1685篇。

1.3 分析方法與工具 將納入文獻保存為Refworks格式導入CiteSpace 5.7軟件,閾值設置為Top N=50或k=25,其余參數設置為默認。關鍵詞是文獻核心內容的高度凝練,能集中體現研究主題,關鍵詞共現圖譜能可視化展示關鍵詞間共現關系;關鍵詞時間線視圖可以反映該研究聚類的時間跨度和熱點變化趨勢;中介中心性是評價節點在網絡中重要性的指標,中心性≥0.1表示中心性較高;關鍵詞聚類分析可以幫助研究者探尋某領域的研究類團及結構特征,聚類模塊值Q、平均輪廓值S是評價聚類效果顯著性及合理性的重要指標,Q>0.3表明聚類社團結構顯著;S>0.7表明聚類結果可信度高。本文以作者、關鍵詞等作為節點,以中心性、關鍵詞聚類等作為分析指標繪制作者、機構、國家間合作網絡圖譜及關鍵詞共現、聚類、突現等可視化知識網絡圖譜。同時將發文量、作者、關鍵詞頻次等文獻外部特征用Excel軟件進行統計。

2 結果

2.1 年發文量分析 發文量趨勢在一定程度上是衡量該領域受關注程度、動態發展趨勢及預測未來發展的信息來源,可以反映該領域的研究水平及發展情況[10]。本文共納入文獻1685篇。年發文量總體呈上升趨勢,逐年遞增趨勢明顯,于2021年達高峰。如圖1。

圖1 年發文量

2.2 發文作者分析 以“author”為節點對發文作者進行可視化分析,見圖2。經分析,該領域發文篇數≥10篇作者共19位,發文量排名第一的作者為Ann-Christine Ehlis,共計發表論文36篇,其次為Andreas J Fallgatter,發文數量為34篇,見表1。

表1 發文量前十作者

圖2 作者合作共現圖

2.3 發文機構共現分析 以“institution”作為節點,呈現機構合作共現圖譜,見圖3。機構發文量排名前3的分別是Univ Tubingen(德國圖賓根大學)、Drexel Univ(美國德雷塞爾大學)和UCL(英國倫敦大學)。機構發文量前10,見表2。

表2 機構發文量前十

圖3 機構合作圖

2.4 發文國家共現分析 以“country”為節點對發文國家進行可視化分析,呈現英文發文國家共現圖譜,見圖4。發文數量最多的國家是美國,發文篇數為480篇,日本以307篇發文量排第二,其次是中國,發文量達237篇,發文數量排名前10國家見表3。

表3 發文數量前十的國家

圖4 發文國家共現圖

2.5 關鍵詞

2.5.1 關鍵詞共現圖譜分析 以“keyword”為節點對文獻進行關鍵詞共現分析,見圖5。頻次出現較高的關鍵詞為near infrared spectroscopy(近紅外光譜)、fNIRS(功能性近紅外光譜)、prefrontal cortex(前額葉皮層)、working memory (工作記憶)、executive function(執行功能)等,高頻關鍵詞見表4。

表4 高頻關鍵詞

圖5 關鍵詞共現圖

2.5.2 關鍵詞聚類分析 從文獻關鍵詞中提取聚類標簽詞,呈現關鍵詞聚類圖譜,見圖6。本文聚類圖譜Q=0.7468>0.3,S=0.7731>0.7,表明聚類結構顯著且具有較高可信度。按聚類顯示,聚類規模靠前的為hypoxia(缺氧)、mild cognitive impairment(輕度認知障礙)、near infrared spectroscopy(近紅外光譜)、brain computer interface(腦機接口)。

圖6 關鍵詞聚類圖

2.5.3 關鍵詞時間線視圖分析 采用“timeline view”選項制作關鍵詞聚類的時間線圖譜,見圖7。聚類#0hipoxia(缺氧),#2mild cognitive impairment(輕度認知障礙),#4brain-computer interface(腦機接口),#6children(兒童)時間跨度較長,研究較深入。

圖7 時間線圖

2.5.4 突現詞分析 基于軟件突現詞檢測算法呈現突現詞分析圖譜,見圖8。突現詞強度排名前五的依次為verbal fluency task(語言流暢性任務,5.5)、hemispheric asymmetry(半球不對稱,4.2)、cardiopulmonary bypa(心肺旁路,4.2)、schizophrenia(精神分裂癥,4.0)、cognitive task(認知任務,3.9)。Inhibitory control(抑制控制,2.7)近幾年才開始被研究。

圖8 突現詞共現圖

3 討論

文獻計量學分析顯示,發文量總體呈上升趨勢,說明各國學者對fNIRS在腦認知領域的應用研究保持關注。發文作者之間形成了以Ann-Christine Ehlis、Andreas J Fallgatter、Meltem Izzetoglu等為代表的研究團隊,Ann-Christine Ehlis、Andreas J Fallgatter已合作發表多篇論文,形成穩定研究團隊。該團隊研究表明fNIRS可作為神經退行性過程中潛在的前驅神經標志物[11-12],探究了年齡和血管負荷因素對腦皮質血流動力學的影響、衰老對功能性大腦連接的影響及藥物對阿爾茨海默癥患者腦激活的生物學效應等,為阿爾茨海默的神經機制研究、治療及認知功能預測作出了貢獻[13-15]。Meltem Izzetoglu團隊主要以老年人為研究對象,利用fNIRS研究認知儲備、認知功能或認知控制等對老年人步態、平衡等的影響,探究了各種任務、干預或病變等條件下額葉皮質區域的激活情況,為認知衰弱、認知功能障礙等研究提供依據[16-22]。

機構之間合作呈現明顯合作網絡社團。發達國家發文量多,國家之間合作較為緊密,發文量最多的是美國,最具影響力的是法國,但中國、巴西等發展中國家近年來發文量逐漸增多,擁有不可忽視的影響,但發展仍存在不平衡現象,發展中國家仍需進一步提升在該領域的影響力。但值得一提的是,我國以237篇發文量居第三,說明既往研究成果為后續深入研究奠定了基礎,也說明fNIRS在國內腦認知領域的應用越發受到重視。機構之間合作形成了分別以圖賓根大學、倫敦大學等為主的研究機構合作社團,研究領域涵蓋了神經退行性病變、認知功能障礙等多方面。我國北京大學發文量排名第六,主要與首都醫科大學、杜克大學等進行合作在認知損害影響因素、干預治療及兒童認知發展特征等方面進行研究探索[23-28]。

從關鍵詞共現、聚類等圖譜分析,歸納出以下研究熱點：①fNIRS在腦認知疾病中的評估作用。如罕見病鳥氨酸氨甲酰基轉移酶缺乏癥認知功能評估及輕度認知障礙的早期篩查識別等[29-30]。隨著人工智能興起,使fNIRS在認知研究中的作用日益顯現。Yang等[31]基于輕度認知障礙患者的fNIRS時間特征圖構建了卷積神經網絡模型用于輕度認知障礙的早期檢測。Nakamura等[32]結合機器學習開發了基于fNIRS的認知評估新型工具,實現了基于fNIRS客觀生物學指標進行認知功能評估的創新。②fNIRS在腦認知疾病干預治療中的評價作用。Borragán等[33]應用fNIRS評價了經顱直流電刺激在認知疲勞中的治療效果,Figeys等[34]應用fNIRS探索了經顱直流電刺激對工作記憶與大腦氧合間相互作用的影響。李秀麗等[35]通過fNIRS技術評估了上肢運動游戲對卒中后輕度認知障礙的治療效果。fNIRS不僅可作為臨床認知治療的客觀評價指標,還可為患者個性化精準干預提供參考依據。③fNIRS在腦認知疾病神經機制中的探索研究。其對兒童、空間幽閉癥及認知障礙人群友好,不受運動偽影干擾等優勢,近年多用于兒童及認知障礙患者語言流暢性任務、認知任務等研究過程中,為相關神經機制的探索提供科學依據[36-39]。

從關鍵詞共現、時間線圖及突現詞等分析研究趨勢與研究前沿,內容概括為以下幾方面：①研究對象主要集中在輕度認知障礙及兒童;②研究主題焦聚于腦認知疾病的神經機制研究、認知水平測量及認知疾病治療評價;③研究領域包含神經影響學、臨床醫學等。④研究方法為臨床試驗研究、觀察性研究等。⑤在干預性研究中的應用較多與腦機接口、抑制控制等相結合,其中抑制控制是近年來新出現的應用熱點。可見,fNIRS在認知領域的研究應用廣泛,主題不斷涌現,內容涵蓋了評估、治療、機制研究等,其應用研究已在認知領域形成了初步體系,隨著研究的深入,近年來,研究傾向于與行為記錄、事件相關電位、核磁共振、機器學習等研究工具進行多模態組合,以獲得更準確的研究數據,使研究更全面化和系統化。

隨著fNIRS在腦認知中的研究增多,其逐漸成為腦認知神經研究的可靠工具,結合其它研究工具進行多模態組合探索,應用人工智能構建認知預測、疾病診斷、治療效果等模型。不僅利于認知原理解析、認知神經機制探索,還利于實現腦認知疾病的早發現、早診斷、早治療。對預防和延緩腦認知疾病的發生發展有重要意義。雖然fNIRS在腦認知研究中的應用越發廣泛,但目前研究樣本量較少,較多認知疾病常模尚未建立,還需進行多中心、大樣本的研究提供高質量證據。