基于文献计量的脑科学国际竞争态势分析*

郑 颖 杨 明 欧阳峥峥 卿立燕 陈云伟 张志强 陶 诚 张月鸿

（1.中国科学院成都文献情报中心，成都610041；2.中国科学院大学经济与管理学院图书情报与档案管理系，北京100190；3.中国科学院发展规划局，北京100864）

1 引言

大脑至今仍是人类认知的黑洞，随着人口老龄化时代的到来，阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性病变已成为人类健康的重大威胁。理解大脑的结构与功能是21世纪最具挑战性的前沿科学问题之一。理解认知、思维、意识和语言的神经基础，是人类认识自然与自身的终极挑战［1］，也是计算机技术和人工智能突破瓶颈的重要途径。

脑科学被发达国家视为科研领域“皇冠上的明珠”，蕴含着诸多重大科学问题。Science杂志在创刊125周年之际提出的未来25年内25个最重大科学问题中，有5个属于脑科学研究领域。类脑智能是受脑科学启发的机器智能，在2018年MIT评选的“十大突破性技术”中，对抗性神经网络位列其中。美国国防情报局（DIA）委托美国科学院撰写的《新兴认知神经科学及相关技术》［2］报告中指出，未来20年，与脑科学相关的进步将可能对人类健康、认知、国家安全等多个领域产生深远影响。

近年来，为了在脑科学这一前沿领域抢占研究领先地位，美国、欧洲、日本、加拿大等科技发达国家和地区相继实施政府主导的脑科学计划，极大地推动了该领域的发展。2005年，瑞士科学家启动蓝脑计划［3］；2013年4月美国宣布启动“脑计划”路线图［4］；同年，欧盟委员会宣布将“人脑工程”列入“未来新兴技术旗舰计划”［5］。我国在2016年公布的“十三五”规划纲要中把“脑科学与类脑研究”确定为科技创新2030重大项目。同时，中国科学院也将“脑科学与类脑智能研究”列为“十三五”发展规划60项重大突破之一，其任务和目标是开展“脑认知功能的基础研究、脑疾病机理研究和早期诊断手段研发、脑研究新技术的研发、类脑模型与智能器件”等方面的研究工作。

随着各国脑科学战略计划的实施，近年来已产生了众多突破性成果。例如，美国艾伦脑科学研究所创建细胞类型数据库，为实现“统计大脑细胞类型”打下坚实基础；美国圣路易斯华盛顿大学绘制出迄今最全面、最精确的人类大脑图谱；美国布兰迪斯大学、加州大学、斯坦福大学联合开展“大脑神经发育、改变、重塑”研究，为人们理解“大脑神经发育、改变、重塑”机制提供了独到的研究和见解，该研究成果获2016年度卡弗里（Kavli）奖；英国DeepMind公司通过两个大脑“策略网络”和“价值网络”设计的阿尔法狗（Alpha-Go）两度战胜世界围棋冠军柯洁；2018年11月，首张展示小鼠大脑每个细胞的数字3D图谱由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的“蓝脑计划”发布。

与此同时，脑科学及类脑科学的商业应用研发正在世界范围如火如荼地展开。2016年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）投资6500万美元开展“神经工程系统设计”（NESD）项目，旨在研发一种能在大脑与数字世界之间实现精准通信的植入式系统；同时，Neuralink公司也正在开发一种可植入式设备，把大脑与云连接起来以增强大脑的功能；Facebook高级技术中心已启动了“意识驱动打字”项目。

在此背景下，本文在重点分析脑科学领域国际研发竞争态势的基础上，选择中国有代表性的科研单元——中科院脑科学与智能技术卓越创新中心（以下简称中科院脑智卓越中心）与国际上重要的研究机构开展比较分析，揭示我国在该领域的研发态势与竞争水平。

2 数据与方法

本文利用文献计量方法，通过TDA、Excel等工具对从Web of Science核心合集数据库（SCI-E）检索到的数据集进行分析，揭示脑科学领域研究态势、重要科研单元的研究进展与合作状况等。

研发态势的数据首先通过研究方向检索与脑科学相关的行为科学、临床神经学、人工智能、神经科学、神经影像，以及与心理学和精神病学密切相关的应用心理学、生物心理学、临床心理学、实验心理学、数学心理、精神心理学、分析精神病学、社会心理学、多学科交叉等多个学科分类的论文，然后人工筛选删除研究方向差异较大的期刊和论文。并增补了多个交叉性或综合性期刊及其子刊中的相关论文，最终获取的论文总数为3,046,707篇。

研究单元比较时所用的机构数据主要以机构名称为检索策略获取。其中，中科院脑智卓越中心为虚拟研究平台，成员发文多以其所在实体机构为作者单位，因此除利用中科院恼智卓越中心这一机构名称检索外，还通过人名及其所在实体机构名称的方式对其研究成果进行检索。检索对象包括中心核心骨干（25人）、骨干人才（35人）、年轻骨干成员（58人）。检索结果为：2014—2018年间，中科院脑智卓越中心的SCI发文量2523篇；英国伦敦大学脑科学学院（Faculty of Brain Sciences，University College London，以下简称 UCL脑科学学院）10,218篇；瑞士洛桑联邦理工学院大脑与心智研究所（Brain Mind Institute，?cole Polytechnique Fédérale de Lausanne，以下简称瑞士洛桑理工大脑与心智所）606篇。

检索时间均为2018年11月。

3 国际脑科学研发态势

脑科学研究的SCI论文产出在近50年时间持续增长（图1）。进入21世纪，随着各国脑科学重大研发计划的启动，脑科学研究进入高速发展阶段，SCI发文量呈现爆发式增长。脑科学领域的突破与发展也越来越受到各界期待。2014年5月，美国国立健康研究院（NIH）发布的《2025年脑科学：一个科学愿景》报告［6］曾预言，至2025年美国脑计划将取得一系列重大科研进展，包括开发出靶向人类细胞类型神经和精神疾病治疗新方法；发现健康与紊乱大脑之间的回路级解剖差异；基于患者自身回路和神经活动模式知识的神经和精神治疗等。2016年7月，美国信息技术与创新基金会（ITIF）发布的《万亿美元产业机遇：脑科学研究如何促进健康与繁荣》［7］报告认为，脑科学未来将在减少神经退行性病变带来的巨大损失的同时创造不可估量的市场价值。

图1 近50年脑科学领域SCI发文量变化趋势Fig.1 Trend of paper publication in brain science in recent50 years

以近50年时间统计，我国在脑科学领域的SCI论文总量位居全球第八位（图2），2015年跃居第三位，2016年后超越英国位列第二位（图3）。虽然我国脑科学研究虽起步较晚基础较为薄弱，但也占据了灵长类动物资源和脑疾病样本资源丰富等先天的优势，在近些年取得了许多重大的科研成果，如我国在猴类转基因动物和非人灵长类脑疾病模型等研究方面已经走在了世界前列［8］。

图2 近50年脑科学领域SCI论文数量TOP10国家Fig.2 Top 10 countries of SCI paper publication in brain science in recent50 years

图3 SCI论文数TOP10国家的论文数量变化趋势（2012—2018）Fig.3 Trend of paper publication of top 10 coun-tries in brain science（2012-2018）

4 国际领先研究单元比较分析

本文从世界知名科研机构中选择两个研究实力与影响力较强的研究单元：UCL脑科学学院和瑞士洛桑理工大脑与心智所，与中科院脑智卓越中心进行对标分析（表1）。

4.1 论文产出比较

UCL脑科学学院体量大，发表论文最多，超过其他两个研究单元总和。中科院脑智卓越中心发文量居中，且呈逐年上升态势。而UCL脑科学学院与洛桑理工大脑与心智所近两年发文量有所下降（图4）。就篇均被引频次而言，三个研究单元差别不大，洛桑理工大脑与心智所的略高，中科院脑智卓越中心位居第二（图5）。

图4 三个研究单元SCI发文年度趋势Fig.4 Trend of SCI paper publication of three re-search units

表1 三个研究单元概况对比Tab.1 Comparison of three research units

图5 三个研究单元SCI发文数量及篇均被引情况Fig.5 SCI paper publication and citations per paper of three research units

图6显示了三个研究单元SCI论文被引频次分布情况。三个研究单元中，UCL脑科学学院的零被引论文占比最高（31.9%），中科院脑智卓越中心次之（23.8%），洛桑理工大脑与心智所最低（16.4%）。三个研究单元SCI论文被引频次情况均呈金字塔形，在1～50次这一范围内分布情况较为相似，大部分论文被引频次均在20次以内。在60～100次这一范围内，中科院脑智卓越中心文章占比（被引频次60～100次的论文数量/被引频次大于10的论文总量）低于其他两个单元，但在被引频次大于100的论文中，中科院脑智卓越中心的文章占比优势初显。

图6 三个研究单元SCI论文被引频次分布情况Fig.6 Distribution of SCIpaper Citations of three research units

4.2 发文期刊比较

将三个研究单元论文的刊载期刊按照影响因子排序，遴选出各个研究单元TOP10高影响因子期刊发现，洛桑理工大脑与心智所TOP10高影响因子期刊论文占其总发文比例最多（40%），中科院脑智卓越中心与UCL脑科学学院占比相同（14.3%），将三个研究单元TOP10高影响因子期刊合并去重，共计19个期刊。UCL脑科学学院论文较多集中在 Lancet、Nature、Nature Reviews Neu-roscience等期刊，中科院脑智卓越中心与洛桑理工大脑与心智所相似，主要集中在 Nature、Sci-ence、Cell等期刊（图 7）。

4.3 团队内部合作模式比较

以三个研究单元发文量TOP30的研究人员为代表，分析各研究单元内部的主要合作模式及优势领域发现，其优势领域各异，合作模式也各有特点。1）中科院脑智卓越中心呈现出明显的集团军作战模式，形成了内部合作非常紧密的网络。这些网络包括高等认知神经环路、智能感知与计算、生物特征识别、人机交互、脑网络图谱、动物模型及认知神经机制、脑疾病及神经机制等领域（图8）；2）UCL脑科学学院呈现多核心、多网络的合作模式。各网络内部与网络之间存在紧密而广泛的合作，其研究领域比较相似，呈现整体强强联合攻关的合作态势（图9）；3）洛桑理工大脑与心智所呈现出多领域相对独立的团队合作模式。根据研究领域，研究者主要形成了三个内部合作密切，彼此相对独立的合作网络 （图10）。

对比来看，UCL脑科学学院呈现多核心多网络的研究模式，学科交叉融合显著；洛桑理工大脑与心智所不同领域的团队既相对独立，也开展合作；中科院脑智卓越中心不同领域的团队间合作非常紧密。据了解，蒲慕明院士和谭铁牛院士一直在极力推进脑科学与智能技术的交叉融合，采用“双导师制”、“蹲点制”，已经取得了显著成效。

图7 三个研究单元在各自影响因子TOP10期刊上的发文情况Fig.7 Paper publication of three research units on their top 10 journals（by IF）

图8 中科院脑智卓越中心发文量TOP30作者合作网络图Fig.8 Cooperation network of top 30 authors in CAS Center for Excellence in Brain Science and Intelli-gence Technology

图9 UCL脑科学学院发文量TOP30作者合作网络图Fig.9 Cooperation network of top 30 authors in Faculty of Brain Sciences，University College London

图10 洛桑理工大脑与心智所29位作者的合作网络图Fig.10 Cooperation network of29 authors in Brain Mind Institute，?cole Polytechnique Fédérale de Lau-sanne

5 讨论与建议

基于前文的比较分析，结合专家咨询意见，提出针对我国脑科学研究的发展的一些建议。

5.1 尽早启动“脑科学与类脑研究”重大科技项目

中科院脑智卓越中心自成立以来发展迅速，在保持论文产出数量高速增长的同时，论文的学术影响力也在稳步提升，逐渐与国际一流机构接近，这为我国开展大科学计划奠定了良好的基础。在美国、欧盟、日本均已启动脑计划的国际背景下，“中国脑计划”宜尽快实质性启动，并抓紧布局中长期发展规划。

杨雄里院士指出，中国脑计划的实施需要强有力的领导专家组进行顶层设计，应坚持“有所为和有所不为”的原则［9］。因此，建议我国在已取得一定研究基础和成果的脑认知神经环路基础、脑疾病机理与诊断干预、类脑芯片与器件等重点领域强化布局，争取早日实现该领域的重大突破，走向国际前列。同时，尽早发起以我国为主导的“全脑介观神经联接图谱”等国际大科学计划，为解决世界性重大科学难题提出中国方案、发出中国声音。

5.2 建立长效机制、提供稳定支持

我国已经在国家科技计划中向脑科学提供了强有力的支持。例如，国家重点基础研究发展计划（973计划）先后启动了“脑结构与功能的可塑性研究”等44项与脑科学相关的课题，总投入近12个亿，国家自然科学基金委也启动了“视听沉信息的认知信计算”等178项重大、重点课题，总投入近3.3亿。这些研究投入大大地促进了我国脑科学水平的快速提升，使我国脑科学研究在某些方向已进入国际先进行列，但整体研究起步较晚且基础研究相对薄弱［10］。

研究创新行为如果缺乏有力的驱动和支撑，则很容易落入急功近利或急于求成的困境，所以需要持之以恒的经费支持和政策扶持。建议我国完善对脑科学基础研究的长期稳定支持机制，增强科研经费的支持力度；引入先进仪器设备和技术，打造资源开放的共享平台。

5.3 自主创新与国际合作相结合

我们既要发挥自身的能动性努力实现自主创新，同时也要注重国际合作交流，通过在全脑介观神经联接图谱绘制等领域做出重要贡献，在国际科技布局中抢占更多话语权。2017年底，欧盟、日本、韩国、美国和澳大利亚5个国家/地区签署了《发起国际大脑计划（IBI）的意向声明》，倡议成立国际大脑联盟，在数据共享、数据标准化以及伦理和隐私保护等领域开展广泛合作［11］。2018年5月，在香山科学会议第S40次学术讨论会上我国科学家倡议启动“全脑介观神经联接图谱”国际合作计划，提出于2020年完成十万级神经元的斑马鱼大脑介观图谱，2025年完成小鼠全脑介观图谱，2030年完成猕猴全脑介观图谱等目标。

在开展脑科学领域的国际合作时，应该特别注意保护涉及国民的基础生物信息数据，应在保证国家安全的前提下进行合作。遵循《人类遗传资源管理暂行办法》等相关法规的要求，审批和实施国际合作项目。同时，还要在国家安全战略指导下合理运用生物大数据，完善相关监管机制建设。

5.4 注重跨学科深度交叉研究

新兴研究领域多具有高度分化又高度综合的特征，许多问题单靠一门学科不能解决，需要依靠多学科互相渗透、协同攻关。提升面向学术、政府及产业的多领域跨学科专业背景人才的储备；持续提供长期、高质量的专门领域及跨领域的高层次人才培训项目，加大对跨学科研究团队的支撑力度［12］。

目前，中国科学院以中科院脑智卓越中心为核心，以多院所和团队协同的方式来开展研究行动，实施的“蹲点制”和“双导师制”已对促进基础研究与应用研究融合起到了较好的催化作用。应进一步学习国外先进模式，组建神经科学、心理学、医学、工程学、计算机学多学科和跨机构团队，促进机构与人员的密切交流协作。

5.5 培养引进国际顶尖人才

人才是创新活动中最重要的资源，培养和吸引更多高水平的科研创新人才是我国未来赢得脑科学竞争的关键因素。目前，我国的脑科学及相关领域的人才数量与质量相较于国际先进水平仍有不足，人才体系设置仍有缺失。因此，应以完善人才体系为抓手，围绕“千人计划”、“万人计划”吸引更多高层次人才，支持更多的中青年科学家投身我国的脑科学科研事业之中。同时，在尊重脑科学研究规律的基础上，形成完备的科研资助模式，在科研人才发展各阶段给予全链条支持［13］。

以中科院脑智卓越中心为例，虽然组建时间相对较短，但其具备良好的国际合作网络，具有培养本土优秀人才、吸引并引进国际顶尖人才和领军人才的条件和优势，需要我国相关部门制定适合此类机构发展需求的人才管理与资助制度和机制，确保优秀人才的供给和成长。