身体活动干预与脑可塑性研究趋势的文献计量分析

张崴轲，张文杰，杨 洋

（扬州大学体育学院，扬州 江苏 225100）

在过去几十年的研究中， 来自神经科学的诸多证据揭示了大脑丰富的可塑性， 这是指大脑在适应环境和经验不断变化的过程中大脑在结构和功能上的改变， 即脑可塑性（Brain Plasticity）［1］。 在人类生命全程中大脑都在不断发生变化，脑可塑性贯穿我们的终生。 这样的观点在近20 年中不断颠覆着研究者们对大脑发展的认识， 并且基于脑可塑性理论发展出了诸如认知训练、 身体活动等干预手段帮助我们不断地训练和改善执行功能、注意力和心理状态等，通过持续地干预促使大脑的结构和功能发生变化， 以适应社会和生活中的挑战和需求［2］。

身体活动（Physical Activity）被广泛认为是一种能够有效引起脑可塑性变化的行为干预方式， 身体活动不仅指体育运动，更包含广义上的各种活动方式，如步行、家务活动等［3］。这些活动能够通过促进大脑在分子层面：脑源性神经营养因子［4］、胰岛素样生长因子-1［5］、神经生长因子［6］、成纤维细胞生长因子-2［7］；细胞层面：血管新生［8-9］、神经发生［10］；系统层面：灰质［11］、白质结构［12］及脑网络［13-15］，3 个层面的结构和功能发生变化［16］。 但我们对于身体活动如何影响、什么程度影响脑可塑性变化仍未完全阐明。 因此，我们需要在未来进行更多的探索，以提供更加具有靶向性、适应性的干预策略促进大脑结构和功能的健康和发展。

本研究利用CiteSpace 等工具在Web of Science 数据库中检索研究样本，进行描述性统计和可视化分析。 目标是深入研究身体活动干预与脑可塑性领域的研究热点和趋势， 以期推动该领域进一步发展。

1 研究方法

1.1 数据选择

本研究中文献数据来源于美国科学信息研究所跨学科综合学术信息库 （American Institute for Scientific Information）Web of Science 核心期刊合集， 检索年限为2010 年1 月1 日至2023 年7 月26 日， 检索策略参照先前研究设置为：TS =（brain plasticity） AND TS = （physical activity （PA） intervention OR exercise rehabilitation OR exercise therapy OR exercise intervention OR physical activity OR exercise）， 文章类型选择为“论文（Article）、综述论文（Review Article）”，语种选择为“英语（English）”共检索到2 501 篇文献，论文1 935 篇和综述论文566 篇［17］。

1.2 可视化分析方法

在本研究中，我们利用CiteSpace6.2.R4 可视化分析软件，运用知识图谱的方式对文献数据库进行分析。 我们设定的参数包括：时间跨度（Time Slicing）从2010—2023 年，每个切片长度（Years Per Slice）设置为1 年；主题来源（Term Source）按照软件默认的选项；研究焦点主要集中在国家、引用的期刊和关键词的可视化分析上，因此在节点类型（Node Types）中，我们分别选择了国家 （Country）、 机构 （Institution）、 作者（Author）、参考文献（Reference）和关键词（Keyword）在生成的可视化知识图谱中。

2 研究结果

2.1 研究现状分析

2.1.1 发文量趋势分析

通过对领域内论文发表数量的变化进行分析能够梳理领域研究热度随时间的变化。 尽管截止日期至2023 年7 月26日， 没有完全收录2023 年发表的文章。 如图1 所示根据2010—2022 年的领域发文量分析可以发现身体活动干预与脑可塑性研究的发文量整体趋势为不断上升，在2010 年文献数量超过100 篇，在2022 年文献数量达到220 篇。 领域内文献数量的快速增长表明研究者们对身体活动干预与脑可塑性的研究兴趣愈发浓厚和重视。

图1 2010—2023 年身体活动干预与脑可塑性研究文献发表量

2.1.2 合作网络分析

使用CiteSpace 对数据集内文献的国家合作网络进行分析， 能够探讨以国家为单位的发文数量以及国家之间的合作网络关系［18］。 国家合作网络分析如图2 所示，文献主要发表国家分布如表1 所示。 首先，在全世界范围内发文量最多的国家为美国，文献数量多达774 篇，远超下面几个国家之和，其次是中国（253 篇），德国（185 篇），巴西（166 篇），加拿大（163篇）。 中介中心性用以衡量国家间的合作影响力强弱， 美国（0.45），中国（0.36），德国（0.29）以上3 个国家中介中心性相对较高， 证明这3 个国家所发表的文献在该领域世界范围内影响力较大。

表1 发文频次排名前十位的国家

图2 国家合作网络和弦图

其后进一步探索了不同机构之间的合作关系如表2 所示，发现美国伊利诺伊大学（0.14）以及加拿大大不列颠哥伦比亚大学（0.1）中介中心性较高，证明在机构合作网络中具有重要的影响力。 与先前对国家网络分析发现高国家中介中心性，机构中介中心性整体较低， 说明在世界范围内该领域机构之间的合作与交流较少。 总体来说， 在引用频次前十的机构之中，主要以美国高校为主，包括美国伊利诺伊大学、美国普林斯顿大学以及美国加州大学洛杉矶分校和美国约翰斯·霍普金斯大学，远远高出其他国家。 而在国家网络分析中展现出高中介中心性的中国与德国则并未展现出明显的机构合作网络，需要在未来的研究中进一步加强合作。

表2 发文频次排名前十位的机构

2.1.3 期刊双图叠加分析

身体活动干预与脑可塑性研究是建立在众多学科发展交织之上， 而多学科融合与交叉是领域进一步发展的基石，因此， 探究涉及学科之间的引用与施引能够帮助理解领域后续的发展方向［19］。 图3 以及表3 展示了对样本文献数据的双图叠加情况，通过利用CiteSpace 的双图叠加工具，能够将大量的Web of Science 数据库核心来源期刊进行聚类划分和分类命名， 展现了在该领域研究中最重要的几个研究学科分列在两侧［19］。 双图叠加分析图分为施引图和被引图，左侧施引图为施引文献所在的期刊分布以及学科类目， 相当于身体活动干预与脑可塑性研究的应用研究内容， 而右侧被引图可以认为是身体活动干预与脑可塑性研究的基础研究内容。

表3 身体活动干预与脑可塑性研究的期刊引用关系（按引用关系强度排序）

表4 共被引次数前十位的文章

图3 期刊双图叠加分析

图4 高共被引文献网络

双图叠加分析能够揭示身体活动干预与脑可塑性领域几乎在所有学科类别中都有被引用和引用的情况。 通过分析，我们找到了5 条显著的引证曲线，具体信息如下表所示。 引证曲线1 代表了强度最高的引用关系，左侧代表分子、生物和免疫学科，其引用来自分子、生物、遗传以及心理、教育、社会这2类学科。 这一曲线分叉清晰地展示了研究领域内学科融合的丰富特点，除了本学科的心理、教育、社会学科，也包括了其他重要的学科来源。 引证曲线2 也同样展示了这一特点，并且引证曲线3 显示了与引证曲线1 存在互为引文的学科类别的有效循环。 总的来说，通过双图叠加分析，我们发现被引文献的主要研究基础是分子、生物、遗传这一类别，这说明当前的研究大多从这一学科角度出发， 解释身体活动干预影响脑可塑性的分子、生物、遗传机制。 并且分子、生物、免疫学科类别与心理、教育、社会学科类别形成了有效的互补循环。

2.1.4 高共被引文献分析

通过对高共被引文献进行分析能够挖掘该领域下最具有影响力以及被广泛认可的文章， 了解其在身体活动干预与脑可塑性研究中的同行认可度［20］。 在CiteSpace 中将筛选标准设置为Top N =50，对高共被引文献进行指数图谱分析。 在该图中一个节点代表一篇文章， 节点越大则代表文章共被引的次数越多；其次，节点颜色代表文章发表年代，越浅则代表发表日期越接近当下； 若该节点外圈为紫色高亮则证明该文章具有高中介中心性， 中介中心性代表文章在身体活动干预与脑可塑性研究中受到广泛认可。 在图5 中列举了部分最高共被引次数的文献，Erickson 等人在2011 年所发表于P NATL ACAD SCI USA 的文章具有最高的共被引频次 （共被引频次155 次，中介中心性0.19）［21］，而Maass 等人在2015 年所发表于MOL PSYCHIATR 的文章具有最高的中介中心性 （共被引频次41 次，中介中心性0.21）［22］。 在共被引频次最高的十篇文章中， 有6 篇是通过动物模型或者人体实验来验证有氧运动对于海马体结构的影响， 并且广泛集中在2010—2013 年中，最近的2 篇Hayek 在2019 年发表在J NEUROSCI 的文章［23］以及Choi 在2018 年发表在Science 的文章［24］则是通过探索脑源性神经营养因子在运动以及认知任务中的作用。 由此可见随着时间变化该领域研究趋势在不断变迁演进。

图5 高频关键词共现网络

2.2 关键词分析

2.2.1 关键词共现及聚类分析

关键词代表着研究的核心质点， 是文献研究内容的关键靶点，也是研究问题的着重点。 通过关键词共现分析可以反映研究领域内的研究热点，使用CiteSpace 统计关键词之间的共现频次， 将筛选标准设置为Top N = 50， 对知识图谱进行绘制，突显高频共现的关键词，进而分析该领域研究热点。 具体可见图5 与表5，图5 为身体活动干预与脑可塑性研究的关键词贡献网络，在该图中一个节点代表一篇文章，节点越大则代表关键词共现的次数越多；其次，节点颜色代表关键词出现的时间，越浅则代表发表日期越接近当下；若该节点外圈为紫色高亮则证明该关键词具有高中介中心性。 通过图5 可以发现，Plasticity（可塑性）的节点最大，出现频次为670 次，中介中心性为0.14，其次是Synaptic Plasticity（突触可塑性）节点，出现频次为630 次，中介中心性为0.06。 并且Physical Activity（身体活动）、Aerobic Exercise（有氧运动）、Memory（记忆）等词的中介中心性较高。

表5 共现频次排名前十位的关键词

表6 身体活动干预与脑可塑性研究的关键词聚类

为进一步厘清当前领域研究现状并揭示研究趋势， 对关键词进行聚类分析。 在关键词共现图谱的基础上采用LLR（对数似然率）算法对不同聚类标签进行标识以确定研究热点［31］。图6 中包含了3 个具有代表性的聚类标签，编号越小，则聚类的规模越大，也就是聚类中包含的关键词数量越多。 图中共形成4 个聚类结果：#0 Synaptic Plasticity （突触可塑性）、#1 Rehabilitatior （康复）、#2 Physical Activity （身体活动） 以及#3 Cognition（认知）。 根据图6 所示，每一个团块代表着不同的聚类群。 通过Q 值以及S 值来衡量所绘制复杂网络聚类的结构鲁棒性，图中Q=0.300 4，S=0.695 6，表明所划分的社团结构显著并且聚类是高效率且可信的。

图6 关键词聚类网络

根据上述4 个聚类集群以及各集群的LLR 我们可以对当前领域方向分为以下3 类：1、 身体活动干预引起的脑结构和功能变化 （对海马体齿状回结构、 脑源性神经营养因子的影响、对执行功能、认知控制的影响）［31］；2、身体活动干预作为康复手段的探索（对神经退行性疾病、神经发育障碍疾病以及脑卒中等脑疾病的行为干预康复应用， 以及联合经颅磁刺激等非药物手段干预效果的探索）［25］；3、身体活动干预对认知障碍群体的认知训练（以老年人、轻度认知障碍群体为主的高危人群进行以轻度身体活动为基础的认知训练）［20］。

2.2.2 关键词涌现分析

关键词涌现是指在短时间内突然出现或者使用频率快速增高的关键词。 在关键词共现的基础之上进一步进行突发检测（Burst Detection），能够揭示当前身体活动干预与脑可塑性领域在不同时间节点的研究热点， 体现出研究趋势风向的不断变化［32］。 本研究借助CiteSpace 对关键词进行突发检测，按照分布时段将不同关键词进行排列， 参照先前研究筛选结果中突发强度大于7 的关键词获得图7［32］，Strength 代表关键词突发强度，红色线条区域代表突发时间年限，深蓝色线条区域代表关键词持续时间。 观察整个时间段内研究趋势的不断演进，发展历程大致分为3 个阶段。

图7 2010—2023 年身体活动干预与脑可塑性研究突显词演变

首先是结构基础阶段，在2010—2013 年突发的4 个关键词中Cortical Plasticity （皮层可塑性）、Neurons （神经元）、Rat Hippocampus （大鼠海马） 最早表现出突发趋势。 该阶段Erickson 对120 名老年人进行有氧运动干预后发现海马体积增加， 延缓衰老进度；Smith 发现短时有氧运动能够影响皮质可塑［33］。 在这一阶段研究中多采用动物模型或者人体实验证明身体活动干预对皮层、海马等区域的可塑性影响，结合高共被引文献分析，在此阶段涌现了最多的高共被引文献，众多从生理基础出发的研究解决了 “身体活动干预能不能引起脑可塑性变化”的问题［34］。

其次是干预探索阶段，从2014—2016 年突发的5 个关键词中的Executive Function（执行功能）、Aerobic Fitness（有氧健身）、Randomized Controlled Trial（随机对照试验）揭开了对行为干预形式以及实验设计的探索。 在这一阶段的研究中，研究热点逐渐由生理结构基础转向为行为干预形式探索， 涌现了以体育运动为主的不同干预形式，从不同强度、周期、持续时间等角度对身体活动干预的剂量效应进行了探索； 进一步追求更加严谨实验设计以及干预流程规范； 并且开始探索身体活动干预对于执行功能等认知、行为表现的影响［35-36］。 这一阶段的研究不断丰富， 细分不同层面的研究问题并通过元分析等方法梳理研究进展， 总的来说此阶段的研究问题为：“身体活动干预如何有效地引起脑可塑性积极变化”。

最后是机制探索阶段，从2019—2023 年突发的6 个关键词中的Neuroplasticity （神经可塑性）、Functional Connectivity（功能连接）、Mechanisms（机制）凸显出研究者们的研究兴趣已经转向为“身体活动干预如何引起脑可塑性变化”，这是一场机制探索之旅。 从神经可塑性以及功能连接2 个关键词出发，可以发现这一阶段涌现了众多的神经影像学研究。 研究者们借助众多基于血流动力学的脑成像工具， 如fMRI、EEG、fNIR 等对其脑成像机制进行功能层面的探索，并且尝试从不同角度去佐证身体活动干预影响脑可塑性［13-15］。 Mechanisms（机制）作为整个关键词突发检测中突发强度最高的词汇（12.36），从侧面印证了近些年来研究者们对 “身体活动干预的脑可塑性变化机制是什么”这一科学问题的积极探索。

3 研究结论

本研究通过使用文献计量分析以及可视化分析的方法，系统梳理了2010 年1 月1 日至2023 年7 月26 日期间内收录至Web of Science 核心文献数据库中身体活动干预与脑可塑性领域的研究文献。 总体结果如下。 首先，针对身体活动干预与脑可塑性的研究仍呈现出蓬勃上涨趋势， 预计在未来几年的研究中该领域的文献数量会持续增加； 在该领域的研究中，头部的国家是美国，并且以美国伊利诺伊大学为首建立了机构合作网络， 在引用频次最高的十所机构当中有6 所位于美国。 第二，该领域主要文献来自分子、生物、遗传以及心理、教育、社会这2 类学科期刊，体现了领域内研究学科融合的特点，并进一步形成了相互促进的良性循环；在对高共引文献探索中发现领域不同发展时期所侧重方向存在不同， 早期研究集中在体育锻炼与海马体结构变化， 而近3 年来转向神经营养物质在认知与身体活动中的作用，象征着研究动态的变迁。第三， 该领域的研究重点主要包括身体活动干预引起的脑结构和功能变化、 身体活动干预作为康复手段的探索以及身体活动干预对认知障碍群体的认知训练等方面。 第四，通过对身体活动干预与脑可塑性研究的关键词涌现分析发现研究者们对领域内研究趋势发生了3 次变迁，所关注的科学问题由“身体活动干预能不能引起脑可塑性变化”进而发展为“身体活动干预如何有效地引起脑可塑性积极变化”，并且在现今的科学问题变为“身体活动干预如何引起脑可塑性变化”。

综上所述， 身体活动干预与脑可塑性的研究趋势在不断演进， 当前研究热点随着脑影像分析技术的进展与成熟已经转化为从脑机制层面揭示身体活动干预如何引起脑可塑性的积极变化。 通过揭示脑功能、脑结构层面的变化能够帮助研究者们剖析和理解深层机制，开展更多研究补充当前成果，并推进具有靶向性、可持续性的干预方案开发。

4 局限性

本研究借助CiteSpace 系统分析了身体活动干预与脑可塑性领域内的最新研究， 为该领域的研究人员全面了解当前研究热点、研究趋势，但本研究仍存在局限性。 首先，CiteSpace无法同时对多个数据库的文献数据进行分析处理， 因此本研究只以Web of Science 核心文献数据库作为主要文献来源；其次，在文献筛查时仅保留了英文文献，这有可能会遗漏部分以其他语言撰写的文件资料。 因此，在未来的研究中可以进一步考虑丰富多元的数据库和其他语言文献，坚实物质基础，以增加研究结论的可靠性。