功能性近红外光谱应用于脑认知领域的可视化分析

熊桃,李阳,崔丽君,刘小芳,陈久容,余挺,李奉玲,魏雪梅,隆洪木

调查显示全球认知障碍相关脑疾病负担已超过肿瘤与心血管等疾病[1],我国60岁以上老年人轻度认知障碍患病率为15.5%,认知障碍人群总体估计约5384万人[2],预计2050年全球重度认知障碍达1.5亿人,花费将达4万亿美元[3]。研究显示阿尔茨海默症、血管性认知障碍等部分脑认知疾病发病机制尚不明确,轻度认知损害具有可逆性与可干预性,重度认知障碍具有不可逆和致残性[4],因此探索脑认知疾病神经机制,促进脑认知疾病的早评估、早诊断、早治疗对预防及延缓疾病发生发展、减轻社会负担有重要意义。功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是基于大脑神经血管耦合机制,将近红外光强值改变与大脑神经活动及血氧浓度变化相联系,间接反映大脑神经元活动及其变化规律的脑成像技术[5-6]。其安全无创,且可长期监测认知过程中血流动力学变化[7],已成为当前脑认知科学研究中的热点技术,对认知原理解析、疾病机制探索、临床辅助诊疗等有重要意义[8]。广泛应用于阿尔茨海默症、帕金森等疾病的脑认知功能研究中[9]。但目前国内尚缺乏该技术应用于脑认知领域的挖掘与梳理,难以全面了解该技术在脑认知研究中的应用进展,本文运用科学知识图谱可视化地呈现其发展脉络,分析现状及热点趋势,以期为后续研究提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源与检索策略 以Web of Science核心数据库对英文文献进行检索。#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),两检索式间用“AND”相连接。设定出版年限为“2012～2022”。

1.2 纳入排除标准与文献筛选 纳入标准：脑认知疾病;fNIRS研究;语言为“English”;文献类型为“article”和“review”;排除标准：重复发表的文献;无法获取全文;会议、专利、报纸、成果。文献筛选：将文献导入EndNoteX9去重和汇总,由两名研究者独立完成并交叉核对,对有分歧的文献,通过课题组讨论共同决定,最终纳入文献1685篇。

1.3 分析方法与工具 将纳入文献保存为Refworks格式导入CiteSpace 5.7软件,阈值设置为Top N=50或k=25,其余参数设置为默认。关键词是文献核心内容的高度凝练,能集中体现研究主题,关键词共现图谱能可视化展示关键词间共现关系;关键词时间线视图可以反映该研究聚类的时间跨度和热点变化趋势;中介中心性是评价节点在网络中重要性的指标,中心性≥0.1表示中心性较高;关键词聚类分析可以帮助研究者探寻某领域的研究类团及结构特征,聚类模块值Q、平均轮廓值S是评价聚类效果显著性及合理性的重要指标,Q>0.3表明聚类社团结构显著;S>0.7表明聚类结果可信度高。本文以作者、关键词等作为节点,以中心性、关键词聚类等作为分析指标绘制作者、机构、国家间合作网络图谱及关键词共现、聚类、突现等可视化知识网络图谱。同时将发文量、作者、关键词频次等文献外部特征用Excel软件进行统计。

2 结果

2.1 年发文量分析 发文量趋势在一定程度上是衡量该领域受关注程度、动态发展趋势及预测未来发展的信息来源,可以反映该领域的研究水平及发展情况[10]。本文共纳入文献1685篇。年发文量总体呈上升趋势,逐年递增趋势明显,于2021年达高峰。如图1。

图1 年发文量

2.2 发文作者分析 以“author”为节点对发文作者进行可视化分析,见图2。经分析,该领域发文篇数≥10篇作者共19位,发文量排名第一的作者为Ann-Christine Ehlis,共计发表论文36篇,其次为Andreas J Fallgatter,发文数量为34篇,见表1。

表1 发文量前十作者

图2 作者合作共现图

2.3 发文机构共现分析 以“institution”作为节点,呈现机构合作共现图谱,见图3。机构发文量排名前3的分别是Univ Tubingen(德国图宾根大学)、Drexel Univ(美国德雷塞尔大学)和UCL(英国伦敦大学)。机构发文量前10,见表2。

表2 机构发文量前十

图3 机构合作图

2.4 发文国家共现分析 以“country”为节点对发文国家进行可视化分析,呈现英文发文国家共现图谱,见图4。发文数量最多的国家是美国,发文篇数为480篇,日本以307篇发文量排第二,其次是中国,发文量达237篇,发文数量排名前10国家见表3。

表3 发文数量前十的国家

图4 发文国家共现图

2.5 关键词

2.5.1 关键词共现图谱分析 以“keyword”为节点对文献进行关键词共现分析,见图5。频次出现较高的关键词为near infrared spectroscopy(近红外光谱)、fNIRS(功能性近红外光谱)、prefrontal cortex(前额叶皮层)、working memory (工作记忆)、executive function(执行功能)等,高频关键词见表4。

表4 高频关键词

图5 关键词共现图

2.5.2 关键词聚类分析 从文献关键词中提取聚类标签词,呈现关键词聚类图谱,见图6。本文聚类图谱Q=0.7468>0.3,S=0.7731>0.7,表明聚类结构显著且具有较高可信度。按聚类显示,聚类规模靠前的为hypoxia(缺氧)、mild cognitive impairment(轻度认知障碍)、near infrared spectroscopy(近红外光谱)、brain computer interface(脑机接口)。

图6 关键词聚类图

2.5.3 关键词时间线视图分析 采用“timeline view”选项制作关键词聚类的时间线图谱,见图7。聚类#0hipoxia(缺氧),#2mild cognitive impairment(轻度认知障碍),#4brain-computer interface(脑机接口),#6children(儿童)时间跨度较长,研究较深入。

图7 时间线图

2.5.4 突现词分析 基于软件突现词检测算法呈现突现词分析图谱,见图8。突现词强度排名前五的依次为verbal fluency task(语言流畅性任务,5.5)、hemispheric asymmetry(半球不对称,4.2)、cardiopulmonary bypa(心肺旁路,4.2)、schizophrenia(精神分裂症,4.0)、cognitive task(认知任务,3.9)。Inhibitory control(抑制控制,2.7)近几年才开始被研究。

图8 突现词共现图

3 讨论

文献计量学分析显示,发文量总体呈上升趋势,说明各国学者对fNIRS在脑认知领域的应用研究保持关注。发文作者之间形成了以Ann-Christine Ehlis、Andreas J Fallgatter、Meltem Izzetoglu等为代表的研究团队,Ann-Christine Ehlis、Andreas J Fallgatter已合作发表多篇论文,形成稳定研究团队。该团队研究表明fNIRS可作为神经退行性过程中潜在的前驱神经标志物[11-12],探究了年龄和血管负荷因素对脑皮质血流动力学的影响、衰老对功能性大脑连接的影响及药物对阿尔茨海默症患者脑激活的生物学效应等,为阿尔茨海默的神经机制研究、治疗及认知功能预测作出了贡献[13-15]。Meltem Izzetoglu团队主要以老年人为研究对象,利用fNIRS研究认知储备、认知功能或认知控制等对老年人步态、平衡等的影响,探究了各种任务、干预或病变等条件下额叶皮质区域的激活情况,为认知衰弱、认知功能障碍等研究提供依据[16-22]。

机构之间合作呈现明显合作网络社团。发达国家发文量多,国家之间合作较为紧密,发文量最多的是美国,最具影响力的是法国,但中国、巴西等发展中国家近年来发文量逐渐增多,拥有不可忽视的影响,但发展仍存在不平衡现象,发展中国家仍需进一步提升在该领域的影响力。但值得一提的是,我国以237篇发文量居第三,说明既往研究成果为后续深入研究奠定了基础,也说明fNIRS在国内脑认知领域的应用越发受到重视。机构之间合作形成了分别以图宾根大学、伦敦大学等为主的研究机构合作社团,研究领域涵盖了神经退行性病变、认知功能障碍等多方面。我国北京大学发文量排名第六,主要与首都医科大学、杜克大学等进行合作在认知损害影响因素、干预治疗及儿童认知发展特征等方面进行研究探索[23-28]。

从关键词共现、聚类等图谱分析,归纳出以下研究热点：①fNIRS在脑认知疾病中的评估作用。如罕见病鸟氨酸氨甲酰基转移酶缺乏症认知功能评估及轻度认知障碍的早期筛查识别等[29-30]。随着人工智能兴起,使fNIRS在认知研究中的作用日益显现。Yang等[31]基于轻度认知障碍患者的fNIRS时间特征图构建了卷积神经网络模型用于轻度认知障碍的早期检测。Nakamura等[32]结合机器学习开发了基于fNIRS的认知评估新型工具,实现了基于fNIRS客观生物学指标进行认知功能评估的创新。②fNIRS在脑认知疾病干预治疗中的评价作用。Borragán等[33]应用fNIRS评价了经颅直流电刺激在认知疲劳中的治疗效果,Figeys等[34]应用fNIRS探索了经颅直流电刺激对工作记忆与大脑氧合间相互作用的影响。李秀丽等[35]通过fNIRS技术评估了上肢运动游戏对卒中后轻度认知障碍的治疗效果。fNIRS不仅可作为临床认知治疗的客观评价指标,还可为患者个性化精准干预提供参考依据。③fNIRS在脑认知疾病神经机制中的探索研究。其对儿童、空间幽闭症及认知障碍人群友好,不受运动伪影干扰等优势,近年多用于儿童及认知障碍患者语言流畅性任务、认知任务等研究过程中,为相关神经机制的探索提供科学依据[36-39]。

从关键词共现、时间线图及突现词等分析研究趋势与研究前沿,内容概括为以下几方面：①研究对象主要集中在轻度认知障碍及儿童;②研究主题焦聚于脑认知疾病的神经机制研究、认知水平测量及认知疾病治疗评价;③研究领域包含神经影响学、临床医学等。④研究方法为临床试验研究、观察性研究等。⑤在干预性研究中的应用较多与脑机接口、抑制控制等相结合,其中抑制控制是近年来新出现的应用热点。可见,fNIRS在认知领域的研究应用广泛,主题不断涌现,内容涵盖了评估、治疗、机制研究等,其应用研究已在认知领域形成了初步体系,随着研究的深入,近年来,研究倾向于与行为记录、事件相关电位、核磁共振、机器学习等研究工具进行多模态组合,以获得更准确的研究数据,使研究更全面化和系统化。

随着fNIRS在脑认知中的研究增多,其逐渐成为脑认知神经研究的可靠工具,结合其它研究工具进行多模态组合探索,应用人工智能构建认知预测、疾病诊断、治疗效果等模型。不仅利于认知原理解析、认知神经机制探索,还利于实现脑认知疾病的早发现、早诊断、早治疗。对预防和延缓脑认知疾病的发生发展有重要意义。虽然fNIRS在脑认知研究中的应用越发广泛,但目前研究样本量较少,较多认知疾病常模尚未建立,还需进行多中心、大样本的研究提供高质量证据。