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跨学科知识的交叉与融合机制研究——以脑电技术为例

跨学科知识的交叉与融合机制研究——以脑电技术为例

  • 分类:行业动态
  • 作者:神经工程管理
  • 来源:神经工程管理
  • 发布时间:2022-09-19 16:25
  • 访问量:

跨学科知识的交叉与融合机制研究——以脑电技术为例

【概要描述】本文是针对论文解析,该论文于2022年发表于《科技管理研究》。该研究作者包括刘晓君、李丽丽、王萌萌、郭晓彤。

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原文信息

  本文是针对论文《跨学科知识的交叉与融合机制研究——以脑电技术为例》的论文解析,该论文于2022年发表于《科技管理研究》。该研究作者包括刘晓君、李丽丽、王萌萌、郭晓彤。

 

 

摘要

  以认知神经科学领域的脑电技术为例,利用时序分析纵向探索知识的交叉路径,借助共词分析横向探索知识的融合主题,从而深入挖掘认知神经科学领域与人文社科领域知识的交叉与融合机制,总结跨学科知识交叉融合的内在规律。结果发现,跨学科知识交叉融合可通过一定的技术手段来实现,自1970年至今,脑电技术已促成了认知神经科学与12个人文社科领域交叉融合,且学科交叉数量在1990年后稳步增长;跨学科知识交叉融合一般发生在已有学科研究的薄弱环节,脑电技术的应用恰好弥补了传统人文社科领域对个体认知层面上的决策动机、情绪影响及注意力分配等研究的不足。

 

 

研究背景

  当前我国高度重视学科的交叉融合,在2020年11月国家自然基金委成立第九大学部—交叉科学部,成为时隔11年后基金委建立的新学部。在2021年1月,国务院学位委员会、教育部又新设置了“交叉学科”门类,成为我国第14个学科门类,可见促进学科交叉、助推科技创新已成为我国发展的必由之路。

 

  当前国内外跨学科知识交叉融合研究:基础理论层面是学者基于对跨学科知识交叉融合概念的界定,来探索学科交叉的类型、学科交叉内外部动力及阻碍因素等问题。测度层面是基于文献的引文关系,通过构建相应的测度指标或计量模型,如学科多样性、学科平衡性等测度指标,来定量化的测量跨学科知识交叉融合的程度大小。主题识别层面是借助共词分析、引文分析及合著分析等方法,探索跨学科知识转移、新兴知识点发现及交叉主题识别等问题。可以发现当前研究主要以静态计量为主,缺乏从动态的时间演进视角来研究不同学科知识的交叉路径与融合主题,而这一问题对探索跨学科知识的交叉与融合机制也至关重要。

 

  认知神经科学是一门通过探索脑认知功能来研究人的心理及行为的前沿学科,其技术方法已在医学、心理学及计算神经科学等领域得到广泛应用。

 

  尤其认知神经科学领域的脑电技术,作为一种“认知工具”,通过对人的心理活动及其神经基础的研究使我们能够在脑和神经系统的层次上认识人的社会特性及本质,故而当前正逐渐与社会科学、人文艺术等领域产生知识的交叉与融合,推动人文社科领域向科学化发。

 

  本研究以认知神经科学领域的脑电技术为例,探索该技术与人文社科领域知识的交叉路径,分析该技术与人文社科领域知识的融合主题,最终期望能揭示跨学科知识的交叉与融合机制,为促进跨学科知识交叉融合制度的建立提供有益参考。

 

 

研究数据与方法

 

  2.1数据来源与获取

  因本研究重点分析认知神经科学领域的脑电技术与人文社科领域的交叉融合,为此以Web of Science(WoS)核心集中的社会科学引文索引数据库Social Science Citation Index(SSCI)和艺术与人文科学引文索引数据库Arts & Humanities Citation Index(A&HCI)作为获取和下载文献数据的来源。由于脑电技术是对所研究对象脑细胞固有生物电活动节律(EEG,electroencephalography)或多个刺激所诱发的特殊脑电位(ERP,event related potential)的分析,因此采用“electroencephalogram”和“event related potential”的多种表达方式作为检索字段,进行如下检索:

  (TS=(“electroencephalogram”) OR TS=(“electroencephalography”) OR TS=(“electro-encephalography”) OR TS=(“event related potential*”) OR TS=(“event-related potential*”))AND LANGUAGE:(English)

  Indexes= SSCI,A&HCI Timespan=All years Document Types =Article,Review

  Search Results:22 710 records Date last updated:July 26,2021

 

  为保证文章的质量和主题相关性,本文检索的范围包括题目、摘要和关键词,最终检索到22 710篇论文。而为保障研究认知神经科学领域的脑电技术与人文社科领域交叉融合的有效性,在当前文献中剔除掉脑电技术在传统领域应用的文献,最终得到1 521篇文献数据作为本研究的数据来源。

 

  2.2科学计量学方法

  科学计量学是运用数学方法计量科学研究的成果,描述科学的体系结构,分析科学系统的内在运行机制,探索整个科学活动定量规律的一门学科。本研究主要利用其中的两种方法来分析跨学科知识的交叉与融合机制。

 

  其一是时序分析方法,即在统计每篇文章所属研究领域和出版年份的基础上,挖掘脑电技术首次出现在某人文社科领域的时间节点,以此来构建时间进程下跨学科知识的交叉路径。

 

  其二是共词分析方法,通过建立知识主题结构,来分析认知神经科学领域的脑电技术与某一人文社科领域的知识融合主题。

 

  具体思路如图1所示,在所检索的文献数据基础上,通过Web of Science类别剔除脑电技术的传统应用学科,将文献数据聚焦于其他人文社会科学领域,进而利用时序分析方法挖掘脑电技术与人文社科领域知识的纵向交叉路径,并利用共词分析方法从3个横断面来挖掘脑电技术与人文社科领域知识的融合主题。

 

图1 跨学科知识的交叉与融合机制研究流程

 

 

跨学科知识的交叉路径分析

  交叉应用脑电技术的人文社科领域主要包括:“PUBLIC ENVIRONMENTAL OCCUPATIONAL HEALTH(公共环境职业健康)”“EDUCATION EDUCATIONAL RESEARCH(教育研究)”“SPORT SCIENCES(体育科学)” “LINGUISTICS(语言学)”“MUSIC(音乐)”“MANAGEMENT(管理)”“HOSPITALITY LEISURE SPORT TOURISM(娱乐休闲旅游)”“COMMUNICATION(传媒)”“FAMILY STUDIES(家庭研究)”“ECONOMICS(经济)”“BUSINESS(商业)”和“INFORMATION SCIENCE LIBRARY SCIENCE(情报学)”。以各领域首篇脑电应用文献的出版年份作为该领域学科交叉的起点,可得如图2所示的时间进程下跨学科知识的交叉路径图。

 

图2 时间进程下跨学科知识的交叉路径

 

  由图2可知,脑电技术最早在1970年应用于公共环境职业健康领域,随后在1971年应用于教育研究,1975年又首次应用于体学科,并在1980年又为语言学科提供了研究的全新视角。时隔11年后,脑电技术于1991年开始活跃在音乐领域、管理领域,1998年娱乐休闲旅游领域也出现了第一篇脑电应用文章。此后随着信息技术带来的脑电技术的突破,在进入21世纪后,脑电技术于2000年首次出现在广告传媒研究,2006年首次应用于家庭研究,2008年首次得到经济学领域的青睐,2009年首次与商业领域交叉研究,2014年首次在情报学领域得到发展。从整体来看,前20年共与4个学科发生交叉融合,后30年共与8个学科发生交叉融合,可见认知神经科学通过脑电技术正与越来越多的人文社科领域发生交叉。

 

  图3展示了脑电技术交叉应用于人文社科各领域的文献分布。其中图3(a)为各领域文献的数量分布,语言学最多为882篇,脑电应用最为成熟和广泛,其次公共环境职业健康为177篇,教育研究位列第三共119篇,体育科学略低于教育研究为104篇,并且数量最多的前3个领域近两年脑电发文量最高;其余领域的发文数量在15~55篇之间不等,且娱乐休闲旅游、商业、管理3个领域近两年发展较好。图3(b)展示了人文社科各领域脑电应用文献分时段增长率热力图,公共环境职业健康、语言学领域的脑电应用相对处于稳定增长态势,且语言学呈加速增长状态,教育研究、管理领域后半段加速发展,音乐领域文献发表数量各时段相对均衡,而体育科学、传媒、家庭研究、情报学等领域的整个发展过程正、负增长率交替出现。

 

图3 全球各领域脑电应用文献数量分布图及增长热力图

 

 

跨学科知识的融合主题分析

  本文将人文社科各领域按首次交叉时间划分到3个时间段(起始发展阶段:1961-1980年;稳步发展阶段:1981-2000年;持续发展阶段:2001-2021年),来构建各阶段中各领域的共词网络图。其中节点大小代表关键词的出现频次,节点颜色代表关键词的平均出现年份,偏于浅色的节点代表当前新兴研究主题。

 

  4.1起始发展阶段(1961-1980年)

  公共环境职业健康领域:

图4(a)脑电与公共环境职业健康交叉领域

 

  主题词smoking、attention和driving safety出现频次最高,其中smoking的研究包括尼古丁对情绪和注意偏向的影响、戒烟期间不同药物对情绪刺激引发的ERPs变化以及烟草制品上的健康警告标签对吸烟者和非吸烟者的作用效果等;主题词attention涉及任务转换导致大脑判断力受损的分析、工作绩效与注意力水平的关系、光照条件对学习成绩的影响等;主题词driving safety研究交通拥堵对驾驶行为的影响、服用镇静药物对驾驶行为的影响、驾驶员疲劳水平的生理信号分析等内容。

 

  新兴主题词forest therapy表明从脑神经角度探索的自然治疗是未来的发展趋势;主题词deep learning表明深度学习等人工智能技术已逐步应用于公共环境职业健康的研究中。

 

  脑电技术通过客观的、实时的生理数据分析情境中个体心理、行为状态变化,为该领域的认知层面研究提供了理论依据。

 

  教育研究领域:

图4(b)脑电与教育研究交叉领域

 

  主题词second language聚焦于第二语言认知加工机制、不同训练条件下语言学习的可塑性、二语学习不同阶段的脑电位变化、二语学习者语码转换的大脑反应以及个体差异与学习情境对第二语言学习的影响等;主题词attention、memory研究包括支持语言规则学习的认知和神经机制、N400成分与阅读标准化间的关系、阅读命名任务中的记忆作用等。

 

  新兴主题词cognitive load关注脑电技术在不同学习场景下对认知负荷的测量,bilingualism关注双语学习者认知发展与大脑变化,脑电成分N400则关注学习者的语义加工、阅读理解等,P300关注学习过程中学习内容与精神资源分配、学生自身调节对学习目标的影响等内容。

 

  从脑机制层面提高个体学习能力和学习效率,脑电技术的应用创新性地优化了教育理论及实践模式。

 

  体育科学领域:

图4(c)脑电与体育科学交叉领域

 

  P300是最常用的脑电成分,重点关注体育项目对运动员空间工作记忆、反应时和准确性的影响、不同个体属性因素对运动警觉表现的影响等;而主题词cognition则关注于不同运动方式对个体认知能力、记忆力、注意力、抑制能力的影响;其他热点主题词如aging研究不同运动类型对老年人的认知功能和空间注意的神经加工机制的影响等;reaction time表明反应时会受到有氧运动、性别、酒精等因素的影响。

 

  新兴主题词physical activity和executive function利用ERP探究不同人群在各类运动中的抑制能力和执行能力的神经机制,而aerobic exercise则表明有氧运动的神经生理亦是未来关注重点。

 

  实时记录个体运动时的脑电信号,便于客观反映动态过程中生理和心理变化,脑电技术克服了传统研究方法中全过程测量的困难。

 

  语言学领域:

图4(d)脑电与语言学交叉领域

 

  脑电成分N400、P600常用来研究句子加工、语义启动、语义或语法冲突、双语词汇语义加工以及不同人群语言处理的特点等;而主题词sentence processing、bilingualism、mismatch negativity探究不同语境、语言背景、流利程度等因素对句子加工和语言理解能力的影响,并重点挖掘失匹配负波这一语言障碍及语义信息不对称的标志性ERP成分。

 

  新兴主题词bilingualism关注于单语者与双语者的语言处理差异、双语的大脑表征、语码转换、语言处理中的冲突消解,而prediction表明语句的结构预测、语义预测、语篇期望、情绪词对预测加工的影响等亦是未来研究趋势。

 

  脑电实验数据可靠地反映了人类语言与认知之间的内在规律,为探索语言背后的脑机制提供了有价值的研究借鉴。

 

  4.2稳步发展阶段(1981-1990年)

  音乐领域:

图5(a)脑电与音乐交叉领域

 

  主题词perception和attention反映出该领域借助脑电技术探讨不同韵律和旋律的感知情况,以及听音乐者的注意、短旋律加工的时间注意情况等问题;主题词nonmusicians、musicians关注音乐家与非音乐家有关音乐知觉的脑神经活动差异;而主题词incongruity表明音乐情境中预期违背的神经机理,rhythm表明不同韵律的脑神经反应亦是研究重点,可见有关音乐的听觉认知能力cognition在该领域扮演着重要角色。

 

  新兴主题词neuroimaging、tonality等表明儿童对音高结构的内隐认识能力和神经表示、声音干预治疗也是未来的前沿研究趋势。

 

  认知神经科学通过脑电技术与音乐领域的交叉研究,不仅可以揭秘人类对音乐信息的认知过程,同时也有助于通过音乐认知探索大脑的组织结构。

 

  管理学领域:

图5(b)脑电与管理交叉领域

 

  主题词neuroscience表明当前神经科学已与决策、营销等传统管理问题产生交叉融合;主题词emotion表明情绪在管理活动中的关键作用,探讨不同情绪对商业营销、分心驾驶、记忆感知等造成的影响;主题词decision-making探究线上购买决策的神经机制;主题词individual-differences对比生理和心理方法检测内隐信息的有效性,同时individual-differences、judgment从意识形态视角讨论道德领袖的个人特质及成因。

 

  新兴主题词work、science等主要从神经科学与道德心理学视角探讨道德领导的成因,主题词lifestyle centers表明多功能生活方式中心的神经科学观点成为研究新视角。

 

  作为一种替代研究方法,脑电技术凭借客观的研究数据、更加真实的研究结果在该领域得到广泛应用。

 

  娱乐休闲旅游领域:

图5(c)脑电与娱乐休闲旅游交叉领域图

 

  主题词executive function、physical activity表明体育锻炼、有氧运动、身体素质等因素对运动反应抑制的影响是该领域关注重点,并且主题词cognition进一步反映了认知能力在运动反应抑制中扮演重要角色;主题词performance、sport performance研究了团队环境的适应性、心理运动效率、神经反馈训练、神经视觉过程与运动员运动任务绩效的作用以及高压状态下左右利手运动员的表现差异等内容。

 

  新兴主题词neuromarketing、emotions等证明神经营销学已用于旅游业的营销研究,并且旅游营销的认知神经机理、营销情绪测量、基于脑神经的营销策略制定已成为该领域的新兴研究趋势。

 

  在该领域应用脑电技术探索个体真实想法,实现了研究数据的可检验性、可重复性,可为未来发展满足人类不断提高的精神追求提供理论依据。

 

  传媒领域:

图5(d)脑电与传媒交叉领域

 

  主题词attention、arousing content、emotion探讨电视广告、图形运动和情感内容等视听信息对大脑皮层活动的诱发和情绪的唤醒效果等内容;主题词memory以个体记忆为指标,检验不同媒介视听信息的有效性;主题词scene changes研究处理视听信息时注意力分配和大脑活动情况相关,说明neuroscience在传媒领域已得到一定应用。

 

  新兴主题词gamification说明游戏元素对用户的大脑体验具有重要作用,主题词perception讨论不同编辑风格中的剪辑和插入视频如何影响观众的注意力,表明该领域未来利用脑电研究的新兴趋势。

 

  该领域研究方法的创新,不仅显著提高了媒体用户及观众反馈信息的真实性,也为视听信息有效呈现方式的选择提供了借鉴。

 

  4.3持续发展阶段(2001—2021年)

  家庭研究领域:

图6(a)脑电与家庭研究交叉领域

 

  主题词face探索婴儿的面部表情处理方式和能力;主题词attachment研究父母表现与孩子未来发展之间的关系、学龄儿童在其青少年时期出现健康危险行为预测;主题词mothers挖掘母亲的情绪及生活行为对婴儿的影响,这是脑电技术在该领域应用的重点。

 

  新兴主题词sensitivity、empathy、perspective等表明母亲对婴儿特殊情绪的识别和感知,主题词parenting stress表明父母的状态对自身感知能力的影响也是未来的研究趋势。

 

  由于脑电技术依靠脑电信号采集数据,解决了常规方法难以收集家庭情境中缺乏表达能力人群(如婴儿)数据的问题,使该领域研究得到突破。

 

  经济学领域:

图6(b)脑电与经济学交叉领域

 

  主题词brand、consumer重点研究了品牌效应如何提高消费者态度、认知及增强消费者记忆,并根据生理变化对消费者偏好信息的获取、消费者行为的预测进行了探索;主题词decision-making探索决策行为与特定脑区激活之间的关系、决策冲突和损失规避背后的心理机制等内容;主题词emotion探究主体认知和情感过程控制与决策的关系,商品体验情绪对商品价格的影响。

 

  新兴主题词advertisements分析不同广告类型对消费者的影响,新兴主题词gender、surroundings、match-up hypothesis所探讨的吸引力、性别、环境等因素对消费者情绪的影响也成为近期的关注热点。

 

  探索经济决策背后的心理变化和大脑活动有助于缩小假设决策与真实决策之间差异,脑电技术凭借这一优势得到该学科广泛重视。

 

  商业领域:

图6(c)脑电与商业交叉领域

 

  主题词neuromarketing表明神经营销学已成为该领域的主流研究分支,神经科学neuroscience方法已成熟应用于商业活动中人的神经生理变化并预测其消费行为;主题词advertising effectiveness、emotion研究了广告对消费者的影响以及消费者情感、情绪与产品认知之间的联系。

 

  新兴主题词visual-attention借助眼动仪、脑电图测量广告传递媒介(如纸张、网站、手机等)的有效性,media、psychophysiolog探究媒体品牌知识对消费者情绪和注意力的影响,电视和视频对观众生理和心理的影响等,都将成为未来研究趋势。

 

  该领域应用脑电技术研究了消费者决策的影响因素,解决了以往研究方法中动态测量难、主观性强等问题。

  情报学领域:

图6(d)脑电与情报学交叉领域

 

  主题词neuroscience表明认知神经科学已应用于用户信息行为研究中,并探讨了人类情感与信息系统的关联性。主题词information、information security、cognition表明该领域的两个研究重点,其一是探讨界面信息排版方式对用户认知负荷、搜索效率的影响;其二是关于信息安全领域的认知行为。

 

  新兴主题词attention、post-classical editing style、visual cortex研究不同编辑风格如何影响观众注意力的问题,feedback、web、framework研究不同相关性水平的文本信息的认知过程差异性,criteria探究观众对主题无关镜头和主题相关镜头的反应等,亦是今后的研究热点。

 

  该领域应用脑电技术能够客观地了解个体的信息处理过程,为人类用户对信息技术的认知心理研究提供新的见解。

 

结论

  针对于跨学科知识的交叉路径分析,可以发现跨学科知识交叉融合可通过一定的技术手段来实现。脑电技术于1970年首次应用于公共环境职业健康领域,随后应用于教育研究、体育科学、语言学等领域,至今认知神经科学通过脑电技术已与12个人文社科领域发生交叉,且学科交叉数量在1990年以后稳步增长。从交叉领域的文献数量分布来看,整体呈现交叉越早文献越多的规律,在此语言学独树一帜,发文量远高于其他领域,说明脑电技术为语言学问题的研究带来有力帮助,因此得到广泛应用。此外,绝大部分领域在近几年的知识交叉速度都显著增加,表明学科交叉越来越成为当前科学研究的主流范式之一。

 

  针对于跨学科知识的融合主题分析,可以发现跨学科知识融合一般会在已有学科研究的薄弱环节发生。具体来说,当前人文社科领域对个体的研究多限于行为观察或问卷调查,对个体真实的内在心理机制却难以探求,而脑电技术与人文社科领域的交叉可以有效挖掘个体不同情境下的脑认知活动,如注意力机制、情绪机制、记忆(工作记忆/学习记忆)机制、认知负荷、认知控制、压力机制、睡眠机制等方面,以客观的实验数据反映个体心理状态和认知过程,弥补了传统人文社科领域对个体研究的不足。从未来趋势来看,人文社科领域在探索不同情境下脑认知机制的基础上,已延伸到对行为的预测,并将人工智能算法(如机器学习、深度学习、雾计算等)应用到预测研究中。

 

引用格式

  刘晓君,李丽丽,王萌萌,郭晓彤.跨学科知识的交叉与融合机制研究——以脑电技术为例[J]. 科技管理研究, 2022,42(15): 240-248.

 

 

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