身體活動干預與腦可塑性研究趨勢的文獻計量分析

張崴軻，張文杰，楊 洋

（揚州大學體育學院，揚州 江蘇 225100）

在過去幾十年的研究中， 來自神經(jīng)科學的諸多證據(jù)揭示了大腦豐富的可塑性， 這是指大腦在適應環(huán)境和經(jīng)驗不斷變化的過程中大腦在結(jié)構(gòu)和功能上的改變， 即腦可塑性（Brain Plasticity）［1］。 在人類生命全程中大腦都在不斷發(fā)生變化，腦可塑性貫穿我們的終生。 這樣的觀點在近20 年中不斷顛覆著研究者們對大腦發(fā)展的認識， 并且基于腦可塑性理論發(fā)展出了諸如認知訓練、 身體活動等干預手段幫助我們不斷地訓練和改善執(zhí)行功能、注意力和心理狀態(tài)等，通過持續(xù)地干預促使大腦的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化， 以適應社會和生活中的挑戰(zhàn)和需求［2］。

身體活動（Physical Activity）被廣泛認為是一種能夠有效引起腦可塑性變化的行為干預方式， 身體活動不僅指體育運動，更包含廣義上的各種活動方式，如步行、家務活動等［3］。這些活動能夠通過促進大腦在分子層面：腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子［4］、胰島素樣生長因子-1［5］、神經(jīng)生長因子［6］、成纖維細胞生長因子-2［7］；細胞層面：血管新生［8-9］、神經(jīng)發(fā)生［10］；系統(tǒng)層面：灰質(zhì)［11］、白質(zhì)結(jié)構(gòu)［12］及腦網(wǎng)絡［13-15］，3 個層面的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化［16］。 但我們對于身體活動如何影響、什么程度影響腦可塑性變化仍未完全闡明。 因此，我們需要在未來進行更多的探索，以提供更加具有靶向性、適應性的干預策略促進大腦結(jié)構(gòu)和功能的健康和發(fā)展。

本研究利用CiteSpace 等工具在Web of Science 數(shù)據(jù)庫中檢索研究樣本，進行描述性統(tǒng)計和可視化分析。 目標是深入研究身體活動干預與腦可塑性領(lǐng)域的研究熱點和趨勢， 以期推動該領(lǐng)域進一步發(fā)展。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)選擇

本研究中文獻數(shù)據(jù)來源于美國科學信息研究所跨學科綜合學術(shù)信息庫 （American Institute for Scientific Information）Web of Science 核心期刊合集， 檢索年限為2010 年1 月1 日至2023 年7 月26 日， 檢索策略參照先前研究設(shè)置為：TS =（brain plasticity） AND TS = （physical activity （PA） intervention OR exercise rehabilitation OR exercise therapy OR exercise intervention OR physical activity OR exercise）， 文章類型選擇為“論文（Article）、綜述論文（Review Article）”，語種選擇為“英語（English）”共檢索到2 501 篇文獻，論文1 935 篇和綜述論文566 篇［17］。

1.2 可視化分析方法

在本研究中，我們利用CiteSpace6.2.R4 可視化分析軟件，運用知識圖譜的方式對文獻數(shù)據(jù)庫進行分析。 我們設(shè)定的參數(shù)包括：時間跨度（Time Slicing）從2010—2023 年，每個切片長度（Years Per Slice）設(shè)置為1 年；主題來源（Term Source）按照軟件默認的選項；研究焦點主要集中在國家、引用的期刊和關(guān)鍵詞的可視化分析上，因此在節(jié)點類型（Node Types）中，我們分別選擇了國家 （Country）、 機構(gòu) （Institution）、 作者（Author）、參考文獻（Reference）和關(guān)鍵詞（Keyword）在生成的可視化知識圖譜中。

2 研究結(jié)果

2.1 研究現(xiàn)狀分析

2.1.1 發(fā)文量趨勢分析

通過對領(lǐng)域內(nèi)論文發(fā)表數(shù)量的變化進行分析能夠梳理領(lǐng)域研究熱度隨時間的變化。 盡管截止日期至2023 年7 月26日， 沒有完全收錄2023 年發(fā)表的文章。 如圖1 所示根據(jù)2010—2022 年的領(lǐng)域發(fā)文量分析可以發(fā)現(xiàn)身體活動干預與腦可塑性研究的發(fā)文量整體趨勢為不斷上升，在2010 年文獻數(shù)量超過100 篇，在2022 年文獻數(shù)量達到220 篇。 領(lǐng)域內(nèi)文獻數(shù)量的快速增長表明研究者們對身體活動干預與腦可塑性的研究興趣愈發(fā)濃厚和重視。

圖1 2010—2023 年身體活動干預與腦可塑性研究文獻發(fā)表量

2.1.2 合作網(wǎng)絡分析

使用CiteSpace 對數(shù)據(jù)集內(nèi)文獻的國家合作網(wǎng)絡進行分析， 能夠探討以國家為單位的發(fā)文數(shù)量以及國家之間的合作網(wǎng)絡關(guān)系［18］。 國家合作網(wǎng)絡分析如圖2 所示，文獻主要發(fā)表國家分布如表1 所示。 首先，在全世界范圍內(nèi)發(fā)文量最多的國家為美國，文獻數(shù)量多達774 篇，遠超下面幾個國家之和，其次是中國（253 篇），德國（185 篇），巴西（166 篇），加拿大（163篇）。 中介中心性用以衡量國家間的合作影響力強弱， 美國（0.45），中國（0.36），德國（0.29）以上3 個國家中介中心性相對較高， 證明這3 個國家所發(fā)表的文獻在該領(lǐng)域世界范圍內(nèi)影響力較大。

表1 發(fā)文頻次排名前十位的國家

圖2 國家合作網(wǎng)絡和弦圖

其后進一步探索了不同機構(gòu)之間的合作關(guān)系如表2 所示，發(fā)現(xiàn)美國伊利諾伊大學（0.14）以及加拿大大不列顛哥倫比亞大學（0.1）中介中心性較高，證明在機構(gòu)合作網(wǎng)絡中具有重要的影響力。 與先前對國家網(wǎng)絡分析發(fā)現(xiàn)高國家中介中心性，機構(gòu)中介中心性整體較低， 說明在世界范圍內(nèi)該領(lǐng)域機構(gòu)之間的合作與交流較少。 總體來說， 在引用頻次前十的機構(gòu)之中，主要以美國高校為主，包括美國伊利諾伊大學、美國普林斯頓大學以及美國加州大學洛杉磯分校和美國約翰斯·霍普金斯大學，遠遠高出其他國家。 而在國家網(wǎng)絡分析中展現(xiàn)出高中介中心性的中國與德國則并未展現(xiàn)出明顯的機構(gòu)合作網(wǎng)絡，需要在未來的研究中進一步加強合作。

表2 發(fā)文頻次排名前十位的機構(gòu)

2.1.3 期刊雙圖疊加分析

身體活動干預與腦可塑性研究是建立在眾多學科發(fā)展交織之上， 而多學科融合與交叉是領(lǐng)域進一步發(fā)展的基石，因此， 探究涉及學科之間的引用與施引能夠幫助理解領(lǐng)域后續(xù)的發(fā)展方向［19］。 圖3 以及表3 展示了對樣本文獻數(shù)據(jù)的雙圖疊加情況，通過利用CiteSpace 的雙圖疊加工具，能夠?qū)⒋罅康腤eb of Science 數(shù)據(jù)庫核心來源期刊進行聚類劃分和分類命名， 展現(xiàn)了在該領(lǐng)域研究中最重要的幾個研究學科分列在兩側(cè)［19］。 雙圖疊加分析圖分為施引圖和被引圖，左側(cè)施引圖為施引文獻所在的期刊分布以及學科類目， 相當于身體活動干預與腦可塑性研究的應用研究內(nèi)容， 而右側(cè)被引圖可以認為是身體活動干預與腦可塑性研究的基礎(chǔ)研究內(nèi)容。

表3 身體活動干預與腦可塑性研究的期刊引用關(guān)系（按引用關(guān)系強度排序）

表4 共被引次數(shù)前十位的文章

圖3 期刊雙圖疊加分析

圖4 高共被引文獻網(wǎng)絡

雙圖疊加分析能夠揭示身體活動干預與腦可塑性領(lǐng)域幾乎在所有學科類別中都有被引用和引用的情況。 通過分析，我們找到了5 條顯著的引證曲線，具體信息如下表所示。 引證曲線1 代表了強度最高的引用關(guān)系，左側(cè)代表分子、生物和免疫學科，其引用來自分子、生物、遺傳以及心理、教育、社會這2類學科。 這一曲線分叉清晰地展示了研究領(lǐng)域內(nèi)學科融合的豐富特點，除了本學科的心理、教育、社會學科，也包括了其他重要的學科來源。 引證曲線2 也同樣展示了這一特點，并且引證曲線3 顯示了與引證曲線1 存在互為引文的學科類別的有效循環(huán)。 總的來說，通過雙圖疊加分析，我們發(fā)現(xiàn)被引文獻的主要研究基礎(chǔ)是分子、生物、遺傳這一類別，這說明當前的研究大多從這一學科角度出發(fā)， 解釋身體活動干預影響腦可塑性的分子、生物、遺傳機制。 并且分子、生物、免疫學科類別與心理、教育、社會學科類別形成了有效的互補循環(huán)。

2.1.4 高共被引文獻分析

通過對高共被引文獻進行分析能夠挖掘該領(lǐng)域下最具有影響力以及被廣泛認可的文章， 了解其在身體活動干預與腦可塑性研究中的同行認可度［20］。 在CiteSpace 中將篩選標準設(shè)置為Top N =50，對高共被引文獻進行指數(shù)圖譜分析。 在該圖中一個節(jié)點代表一篇文章， 節(jié)點越大則代表文章共被引的次數(shù)越多；其次，節(jié)點顏色代表文章發(fā)表年代，越淺則代表發(fā)表日期越接近當下； 若該節(jié)點外圈為紫色高亮則證明該文章具有高中介中心性， 中介中心性代表文章在身體活動干預與腦可塑性研究中受到廣泛認可。 在圖5 中列舉了部分最高共被引次數(shù)的文獻，Erickson 等人在2011 年所發(fā)表于P NATL ACAD SCI USA 的文章具有最高的共被引頻次 （共被引頻次155 次，中介中心性0.19）［21］，而Maass 等人在2015 年所發(fā)表于MOL PSYCHIATR 的文章具有最高的中介中心性 （共被引頻次41 次，中介中心性0.21）［22］。 在共被引頻次最高的十篇文章中， 有6 篇是通過動物模型或者人體實驗來驗證有氧運動對于海馬體結(jié)構(gòu)的影響， 并且廣泛集中在2010—2013 年中，最近的2 篇Hayek 在2019 年發(fā)表在J NEUROSCI 的文章［23］以及Choi 在2018 年發(fā)表在Science 的文章［24］則是通過探索腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子在運動以及認知任務中的作用。 由此可見隨著時間變化該領(lǐng)域研究趨勢在不斷變遷演進。

圖5 高頻關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡

2.2 關(guān)鍵詞分析

2.2.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)及聚類分析

關(guān)鍵詞代表著研究的核心質(zhì)點， 是文獻研究內(nèi)容的關(guān)鍵靶點，也是研究問題的著重點。 通過關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析可以反映研究領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點，使用CiteSpace 統(tǒng)計關(guān)鍵詞之間的共現(xiàn)頻次， 將篩選標準設(shè)置為Top N = 50， 對知識圖譜進行繪制，突顯高頻共現(xiàn)的關(guān)鍵詞，進而分析該領(lǐng)域研究熱點。 具體可見圖5 與表5，圖5 為身體活動干預與腦可塑性研究的關(guān)鍵詞貢獻網(wǎng)絡，在該圖中一個節(jié)點代表一篇文章，節(jié)點越大則代表關(guān)鍵詞共現(xiàn)的次數(shù)越多；其次，節(jié)點顏色代表關(guān)鍵詞出現(xiàn)的時間，越淺則代表發(fā)表日期越接近當下；若該節(jié)點外圈為紫色高亮則證明該關(guān)鍵詞具有高中介中心性。 通過圖5 可以發(fā)現(xiàn)，Plasticity（可塑性）的節(jié)點最大，出現(xiàn)頻次為670 次，中介中心性為0.14，其次是Synaptic Plasticity（突觸可塑性）節(jié)點，出現(xiàn)頻次為630 次，中介中心性為0.06。 并且Physical Activity（身體活動）、Aerobic Exercise（有氧運動）、Memory（記憶）等詞的中介中心性較高。

表5 共現(xiàn)頻次排名前十位的關(guān)鍵詞

表6 身體活動干預與腦可塑性研究的關(guān)鍵詞聚類

為進一步厘清當前領(lǐng)域研究現(xiàn)狀并揭示研究趨勢， 對關(guān)鍵詞進行聚類分析。 在關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜的基礎(chǔ)上采用LLR（對數(shù)似然率）算法對不同聚類標簽進行標識以確定研究熱點［31］。圖6 中包含了3 個具有代表性的聚類標簽，編號越小，則聚類的規(guī)模越大，也就是聚類中包含的關(guān)鍵詞數(shù)量越多。 圖中共形成4 個聚類結(jié)果：#0 Synaptic Plasticity （突觸可塑性）、#1 Rehabilitatior （康復）、#2 Physical Activity （身體活動） 以及#3 Cognition（認知）。 根據(jù)圖6 所示，每一個團塊代表著不同的聚類群。 通過Q 值以及S 值來衡量所繪制復雜網(wǎng)絡聚類的結(jié)構(gòu)魯棒性，圖中Q=0.300 4，S=0.695 6，表明所劃分的社團結(jié)構(gòu)顯著并且聚類是高效率且可信的。

圖6 關(guān)鍵詞聚類網(wǎng)絡

根據(jù)上述4 個聚類集群以及各集群的LLR 我們可以對當前領(lǐng)域方向分為以下3 類：1、 身體活動干預引起的腦結(jié)構(gòu)和功能變化 （對海馬體齒狀回結(jié)構(gòu)、 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的影響、對執(zhí)行功能、認知控制的影響）［31］；2、身體活動干預作為康復手段的探索（對神經(jīng)退行性疾病、神經(jīng)發(fā)育障礙疾病以及腦卒中等腦疾病的行為干預康復應用， 以及聯(lián)合經(jīng)顱磁刺激等非藥物手段干預效果的探索）［25］；3、身體活動干預對認知障礙群體的認知訓練（以老年人、輕度認知障礙群體為主的高危人群進行以輕度身體活動為基礎(chǔ)的認知訓練）［20］。

2.2.2 關(guān)鍵詞涌現(xiàn)分析

關(guān)鍵詞涌現(xiàn)是指在短時間內(nèi)突然出現(xiàn)或者使用頻率快速增高的關(guān)鍵詞。 在關(guān)鍵詞共現(xiàn)的基礎(chǔ)之上進一步進行突發(fā)檢測（Burst Detection），能夠揭示當前身體活動干預與腦可塑性領(lǐng)域在不同時間節(jié)點的研究熱點， 體現(xiàn)出研究趨勢風向的不斷變化［32］。 本研究借助CiteSpace 對關(guān)鍵詞進行突發(fā)檢測，按照分布時段將不同關(guān)鍵詞進行排列， 參照先前研究篩選結(jié)果中突發(fā)強度大于7 的關(guān)鍵詞獲得圖7［32］，Strength 代表關(guān)鍵詞突發(fā)強度，紅色線條區(qū)域代表突發(fā)時間年限，深藍色線條區(qū)域代表關(guān)鍵詞持續(xù)時間。 觀察整個時間段內(nèi)研究趨勢的不斷演進，發(fā)展歷程大致分為3 個階段。

圖7 2010—2023 年身體活動干預與腦可塑性研究突顯詞演變

首先是結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)階段，在2010—2013 年突發(fā)的4 個關(guān)鍵詞中Cortical Plasticity （皮層可塑性）、Neurons （神經(jīng)元）、Rat Hippocampus （大鼠海馬） 最早表現(xiàn)出突發(fā)趨勢。 該階段Erickson 對120 名老年人進行有氧運動干預后發(fā)現(xiàn)海馬體積增加， 延緩衰老進度；Smith 發(fā)現(xiàn)短時有氧運動能夠影響皮質(zhì)可塑［33］。 在這一階段研究中多采用動物模型或者人體實驗證明身體活動干預對皮層、海馬等區(qū)域的可塑性影響，結(jié)合高共被引文獻分析，在此階段涌現(xiàn)了最多的高共被引文獻，眾多從生理基礎(chǔ)出發(fā)的研究解決了 “身體活動干預能不能引起腦可塑性變化”的問題［34］。

其次是干預探索階段，從2014—2016 年突發(fā)的5 個關(guān)鍵詞中的Executive Function（執(zhí)行功能）、Aerobic Fitness（有氧健身）、Randomized Controlled Trial（隨機對照試驗）揭開了對行為干預形式以及實驗設(shè)計的探索。 在這一階段的研究中，研究熱點逐漸由生理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)向為行為干預形式探索， 涌現(xiàn)了以體育運動為主的不同干預形式，從不同強度、周期、持續(xù)時間等角度對身體活動干預的劑量效應進行了探索； 進一步追求更加嚴謹實驗設(shè)計以及干預流程規(guī)范； 并且開始探索身體活動干預對于執(zhí)行功能等認知、行為表現(xiàn)的影響［35-36］。 這一階段的研究不斷豐富， 細分不同層面的研究問題并通過元分析等方法梳理研究進展， 總的來說此階段的研究問題為：“身體活動干預如何有效地引起腦可塑性積極變化”。

最后是機制探索階段，從2019—2023 年突發(fā)的6 個關(guān)鍵詞中的Neuroplasticity （神經(jīng)可塑性）、Functional Connectivity（功能連接）、Mechanisms（機制）凸顯出研究者們的研究興趣已經(jīng)轉(zhuǎn)向為“身體活動干預如何引起腦可塑性變化”，這是一場機制探索之旅。 從神經(jīng)可塑性以及功能連接2 個關(guān)鍵詞出發(fā)，可以發(fā)現(xiàn)這一階段涌現(xiàn)了眾多的神經(jīng)影像學研究。 研究者們借助眾多基于血流動力學的腦成像工具， 如fMRI、EEG、fNIR 等對其腦成像機制進行功能層面的探索，并且嘗試從不同角度去佐證身體活動干預影響腦可塑性［13-15］。 Mechanisms（機制）作為整個關(guān)鍵詞突發(fā)檢測中突發(fā)強度最高的詞匯（12.36），從側(cè)面印證了近些年來研究者們對 “身體活動干預的腦可塑性變化機制是什么”這一科學問題的積極探索。

3 研究結(jié)論

本研究通過使用文獻計量分析以及可視化分析的方法，系統(tǒng)梳理了2010 年1 月1 日至2023 年7 月26 日期間內(nèi)收錄至Web of Science 核心文獻數(shù)據(jù)庫中身體活動干預與腦可塑性領(lǐng)域的研究文獻。 總體結(jié)果如下。 首先，針對身體活動干預與腦可塑性的研究仍呈現(xiàn)出蓬勃上漲趨勢， 預計在未來幾年的研究中該領(lǐng)域的文獻數(shù)量會持續(xù)增加； 在該領(lǐng)域的研究中，頭部的國家是美國，并且以美國伊利諾伊大學為首建立了機構(gòu)合作網(wǎng)絡， 在引用頻次最高的十所機構(gòu)當中有6 所位于美國。 第二，該領(lǐng)域主要文獻來自分子、生物、遺傳以及心理、教育、社會這2 類學科期刊，體現(xiàn)了領(lǐng)域內(nèi)研究學科融合的特點，并進一步形成了相互促進的良性循環(huán)；在對高共引文獻探索中發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域不同發(fā)展時期所側(cè)重方向存在不同， 早期研究集中在體育鍛煉與海馬體結(jié)構(gòu)變化， 而近3 年來轉(zhuǎn)向神經(jīng)營養(yǎng)物質(zhì)在認知與身體活動中的作用，象征著研究動態(tài)的變遷。第三， 該領(lǐng)域的研究重點主要包括身體活動干預引起的腦結(jié)構(gòu)和功能變化、 身體活動干預作為康復手段的探索以及身體活動干預對認知障礙群體的認知訓練等方面。 第四，通過對身體活動干預與腦可塑性研究的關(guān)鍵詞涌現(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)研究者們對領(lǐng)域內(nèi)研究趨勢發(fā)生了3 次變遷，所關(guān)注的科學問題由“身體活動干預能不能引起腦可塑性變化”進而發(fā)展為“身體活動干預如何有效地引起腦可塑性積極變化”，并且在現(xiàn)今的科學問題變?yōu)椤吧眢w活動干預如何引起腦可塑性變化”。

綜上所述， 身體活動干預與腦可塑性的研究趨勢在不斷演進， 當前研究熱點隨著腦影像分析技術(shù)的進展與成熟已經(jīng)轉(zhuǎn)化為從腦機制層面揭示身體活動干預如何引起腦可塑性的積極變化。 通過揭示腦功能、腦結(jié)構(gòu)層面的變化能夠幫助研究者們剖析和理解深層機制，開展更多研究補充當前成果，并推進具有靶向性、可持續(xù)性的干預方案開發(fā)。

4 局限性

本研究借助CiteSpace 系統(tǒng)分析了身體活動干預與腦可塑性領(lǐng)域內(nèi)的最新研究， 為該領(lǐng)域的研究人員全面了解當前研究熱點、研究趨勢，但本研究仍存在局限性。 首先，CiteSpace無法同時對多個數(shù)據(jù)庫的文獻數(shù)據(jù)進行分析處理， 因此本研究只以Web of Science 核心文獻數(shù)據(jù)庫作為主要文獻來源；其次，在文獻篩查時僅保留了英文文獻，這有可能會遺漏部分以其他語言撰寫的文件資料。 因此，在未來的研究中可以進一步考慮豐富多元的數(shù)據(jù)庫和其他語言文獻，堅實物質(zhì)基礎(chǔ)，以增加研究結(jié)論的可靠性。