跨學科知識的交叉與融合機制研究
——以腦電技術為例

劉曉君，李麗麗，王萌萌，郭曉彤

（1.西安建筑科技大學管理學院；2.西安建筑科技大學神經工程管理實驗室，陜西西安 710055）

1 研究背景

當前我國高度重視學科的交叉融合，在2020 年11 月國家自然科學基金委成立第九大學部——交叉科學部，成為時隔11 年后基金委建立的新學部［1］。在2021 年1 月，國務院學位委員會、教育部又新設置了“交叉學科”門類，成為我國第14 個學科門類［2］，可見促進學科交叉、助推科技創新已成為我國發展的必由之路［3］。學科交叉在科學發展和社會需求雙重驅動下［4-5］，以實現多目標的重大問題為導向［6］，綜合多學科領域知識，最終獲得復雜問題的有效解決方案［7］。因此跨學科研究已成為當前的一種主流研究形式［8］，而在這種研究形式下，不同學科知識如何實現交叉，如何發生融合，都將成為探索跨學科知識的交叉與融合內在規律的重要命題［9］。

針對國內外跨學科知識交叉融合研究的系統梳理，可知當前主要從知識交叉融合的基礎理論、知識交叉融合程度測度以及交叉融合主題識別三方面展開研究［10-11］。基礎理論層面是學者基于對跨學科知識交叉融合概念的界定［12］，來探索學科交叉的類型、學科交叉內外部動力及阻礙因素等問題［13-15］。測度層面是基于文獻的引文關系，通過構建相應的測度指標或計量模型［16］，如學科多樣性、學科平衡性等測度指標［17］，來定量化地測量跨學科知識交叉融合的程度大小［18］。主題識別層面，是借助共詞分析、引文分析及合著分析等方法，探索跨學科知識轉移、新興知識點發現及交叉主題識別等問題［19］。可以發現當前研究主要以靜態計量為主，缺乏從動態的時間演進視角來研究不同學科知識的交叉路徑與融合主題，而這一問題對探索跨學科知識的交叉與融合機制也至關重要。

認知神經科學是一門通過探索腦認知功能來研究人的心理及行為的前沿學科，其技術方法已在醫學、心理學及計算神經科學等領域得到廣泛應用［20-21］。尤其是認知神經科學領域的腦電技術，作為一種“認知工具”［22］，通過對人的心理活動及其神經基礎的研究使我們能夠在腦和神經系統的層次上認識人的社會特性及本質［23］，故而當前正逐漸與社會科學、人文藝術等領域產生知識的交叉與融合［24］，推動人文社科領域向科學化發展［25］。因此，本研究以認知神經科學領域的腦電技術為例，探索該技術與人文社科領域知識的交叉路徑，分析該技術與人文社科領域知識的融合主題，最終期望能揭示跨學科知識的交叉與融合機制，為促進跨學科知識交叉融合制度的建立提供有益參考。

2 研究數據與方法

2.1 數據來源與獲取

因本研究重點分析認知神經科學領域的腦電技術與人文社科領域的交叉融合，為此以Web of Science（WoS）核心集中的社會科學引文索引數據庫Social Science Citation Index（SSCI）和藝術與人文科學引文索引數據庫Arts &Humanities Citation Index（A&HCI）作為獲取和下載文獻數據的來源［26］。由于腦電技術是對所研究對象腦細胞固有生物電活動節律（EEG，electroencephalography）或多個刺激所誘發的特殊腦電位（ERP，event related potential）的分析［23］，因此采用“electroencephalogram”和“event related potential”的多種表達方式作為檢索字段［27］，進行如下檢索：

為保證文章的質量和主題相關性，本文檢索的范圍包括題目、摘要和關鍵詞，最終檢索到22 710篇論文。因所檢索論文包含了大量的醫學、心理學等腦電技術應用成熟的領域，而為保障研究認知神經科學領域的腦電技術與人文社科領域交叉融合的有效性，故在當前文獻中剔除掉腦電技術在以上傳統領域應用的文獻，經過人工清洗之后，最終得到1 521 篇文獻數據作為本研究的數據來源。數據題錄信息包括了標題、作者、摘要、關鍵詞、期刊、出版年份、Web of Science 類別等內容。

2.2 科學計量學方法

科學計量學是運用數學方法計量科學研究的成果，描述科學的體系結構，分析科學系統的內在運行機制，探索整個科學活動定量規律的一門學科［28］。本研究主要利用其中的兩種方法來分析跨學科知識的交叉與融合機制。其一是時序分析方法，即在統計每篇文章所屬研究領域和出版年份的基礎上，挖掘腦電技術首次出現在某人文社科領域的時間節點，以此來構建時間進程下跨學科知識的交叉路徑。其二是共詞分析方法，通過建立知識主題結構［29］，來分析認知神經科學領域的腦電技術與某一人文社科領域的知識融合主題。具體思路如圖1 所示，在所檢索的文獻數據基礎上，通過Web of Science 類別剔除腦電技術的傳統應用學科，將文獻數據聚焦于其他人文社會科學領域，進而利用時序分析方法挖掘腦電技術與人文社科領域知識的縱向交叉路徑，并利用共詞分析方法從3 個橫斷面來挖掘腦電技術與人文社科領域知識的融合主題。

圖1 跨學科知識的交叉與融合機制研究流程

3 跨學科知識的交叉路徑分析

以Web of Science 研究類別作為學科領域劃分的依據，據此可知當前交叉應用腦電技術的人文社科領域主要包括：“PUBLIC ENVIRONMENTAL OCCUPATIONAL HEALTH（公共環境職業健康）”“EDUCATION EDUCATIONAL RESEARCH（教育研究）”“SPORT SCIENCES（體育科學）” “LINGUISTICS（語言學）”“MUSIC（音樂）”“MANAGEMENT（管理）”“HOSPITALITY LEISURE SPORT TOURISM（娛樂休閑旅游）”“COMMUNICATION（傳媒）”“FAMILY STUDIES（家庭研究）”“ECONOMICS（經濟）”“BUSINESS（商業）”和“INFORMATION SCIENCE LIBRARY SCIENCE（情報學）”。為獲取認知神經科學通過腦電技術與人文社科各領域知識的交叉路徑，本文以各領域首篇腦電應用文獻的出版年份作為該領域學科交叉的起點，可得如圖2 所示的時間進程下跨學科知識的交叉路徑圖。

圖2 時間進程下跨學科知識的交叉路徑

由圖2 可知，腦電技術最早在1970 年應用于公共環境職業健康領域，隨后在1971 年應用于教育研究，1975 年又首次應用于體育學科，并在1980 年又為語言學科提供了研究的全新視角。時隔11 年后，腦電技術于1991 年開始活躍在音樂領域、管理領域，1998 年娛樂休閑旅游領域也出現了第一篇腦電應用文章。此后隨著信息技術帶來的腦電技術的突破，在進入21 世紀后，腦電技術于2000 年首次出現在廣告傳媒研究，2006 年首次應用于家庭研究，2008年首次得到經濟學領域的青睞，2009 年首次與商業領域交叉研究，2014 年首次在情報學領域得到發展。從整體來看，前20 年共與4 個學科發生交叉融合，后30 年共與8 個學科發生交叉融合，可見認知神經科學通過腦電技術正與越來越多的人文社科領域發生交叉。

圖3 展示了腦電技術交叉應用于人文社科各領域的文獻分布。其中圖3（a）為各領域文獻的數量分布，語言學最多為882 篇，腦電應用最為成熟和廣泛，其次公共環境職業健康為177 篇，教育研究位列第三共119 篇，體育科學略低于教育研究為104篇，并且數量最多的前3 個領域近兩年腦電發文量最高；其余領域的發文數量在15～55 篇之間不等，且娛樂休閑旅游、商業、管理3 個領域近兩年發展較好。圖3（b）展示了人文社科各領域腦電應用文獻分時段增長率熱力圖，公共環境職業健康、語言學領域的腦電應用相對處于穩定增長態勢，且語言學呈加速增長狀態，教育研究、管理領域后半段加速發展，音樂領域文獻發表數量各時段相對均衡，而體育科學、傳媒、家庭研究、情報學等領域的整個發展過程正、負增長率交替出現。

圖3 全球各領域腦電應用文獻數量分布及增長熱力圖

4 跨學科知識的融合主題分析

為挖掘認知神經科學領域的腦電技術與人文社科領域知識的融合主題，本文以各領域腦電應用文獻的關鍵詞作為數據來源，在對關鍵詞數據進行清洗的基礎上，利用Vosviewer 軟件的共詞分析功能建立各領域的知識主題圖譜。同時，本文將人文社科各領域按首次交叉時間劃分到3 個時間段（起始發展階段：1961—1980 年；穩步發展階段：1981—2000 年；持續發展階段：2001—2021 年），來構建各階段中各領域的共詞網絡圖。其中節點大小代表關鍵詞的出現頻次，節點顏色代表關鍵詞的平均出現年份，偏于淺色的節點代表當前新興研究主題。

4.1 起始發展階段（1961—1980 年）

圖4 呈現了公共環境職業健康（1970 年）、教育研究（1971 年）、體育科學（1975 年）、語言學（1980 年）4 個領域的知識主題圖譜。在公共環境職業健康領域，主題詞smoking、attention 和driving safety 出現頻次最高，其中smoking 的研究包括尼古丁對情緒和注意偏向的影響、戒煙期間不同藥物對情緒刺激引發的ERPs 變化以及煙草制品上的健康警告標簽對吸煙者和非吸煙者的作用效果等；主題詞attention 涉及任務轉換導致大腦判斷力受損的分析、工作績效與注意力水平的關系、光照條件對學習成績的影響等；主題詞driving safety 研究交通擁堵對駕駛行為的影響、服用鎮靜藥物對駕駛行為的影響、駕駛員疲勞水平的生理信號分析等內容。此外，新興主題詞forest therapy 表明從腦神經角度探索的自然治療是未來的發展趨勢；主題詞deep learning 表明深度學習等人工智能技術已逐步應用于公共環境職業健康的研究中。腦電技術通過客觀的、實時的生理數據分析情境中個體心理、行為狀態變化，為該領域的認知層面研究提供了理論依據。

圖4 第1 階段腦電與各學科交叉領域的共詞網絡

教育研究領域中主題詞second language 聚焦于第二語言認知加工機制、不同訓練條件下語言學習的可塑性、二語學習不同階段的腦電位變化、二語學習者語碼轉換的大腦反應以及個體差異與學習情境對第二語言學習的影響等；主題詞attention、memory 研究包括支持語言規則學習的認知和神經機制、N400 成分與閱讀標準化間的關系、閱讀命名任務中的記憶作用等。而新興主題詞cognitive load 關注腦電技術在不同學習場景下對認知負荷的測量，bilingualism 關注雙語學習者認知發展與大腦變化，腦電成分N400 則關注學習者的語義加工、閱讀理解等，P300 關注學習過程中學習內容與精神資源分配、學生自身調節對學習目標的影響等內容。從腦機制層面提高個體學習能力和學習效率，腦電技術的應用創新性地優化了教育理論及實踐模式。

體育科學領域中P300 是最常用的腦電成分，重點關注體育項目對運動員空間工作記憶、反應時和準確性的影響、不同個體屬性因素對運動警覺表現的影響等；而主題詞cognition 則關注于不同運動方式對個體認知能力、記憶力、注意力、抑制能力的影響；其他熱點主題詞如aging 研究不同運動類型對老年人的認知功能和空間注意的神經加工機制的影響等；reaction time表明反應時會受到有氧運動、性別、酒精等因素的影響。新興主題詞physical activity 和executive function 利用ERP 探究不同人群在各類運動中的抑制能力和執行能力的神經機制，而aerobic exercise 則表明有氧運動的神經生理亦是未來關注重點。實時記錄個體運動時的腦電信號，便于客觀反映動態過程中生理和心理變化，腦電技術克服了傳統研究方法中全過程測量的困難。

語言學領域中腦電成分N400、P600 常用來研究句子加工、語義啟動、語義或語法沖突、雙語詞匯語義加工以及不同人群語言處理的特點等；而主題詞sentence processing、bilingualism、mismatch negativity 探究不同語境、語言背景、流利程度等因素對句子加工和語言理解能力的影響，并重點挖掘失匹配負波這一語言障礙及語義信息不對稱的標志性ERP 成分。新興主題詞bilingualism 關注于單語者與雙語者的語言處理差異、雙語的大腦表征、語碼轉換、語言處理中的沖突消解，而prediction 表明語句的結構預測、語義預測、語篇期望、情緒詞對預測加工的影響等亦是未來研究趨勢。腦電實驗數據可靠地反映了人類語言與認知之間的內在規律，為探索語言背后的腦機制提供了有價值的研究借鑒。

4.2 穩步發展階段（1981—1990 年）

圖5 展現了音樂（1991 年）、管理（1991 年）、娛樂休閑旅游（1998 年）、傳媒（2000 年）4 個領域的知識主題圖譜。音樂領域中主題詞perception 和attention 反映出該領域借助腦電技術探討不同韻律和旋律的感知情況，以及聽音樂者的注意、短旋律加工的時間注意情況等問題；主題詞nonmusicians、musicians 關注音樂家與非音樂家有關音樂知覺的腦神經活動差異；而主題詞incongruity 表明音樂情境中預期違背的神經機理，rhythm 表明不同韻律的腦神經反應亦是研究重點，可見有關音樂的聽覺認知能力cognition 在該領域扮演著重要角色。新興主題詞neuroimaging、tonality 等表明兒童對音高結構的內隱認識能力和神經表示、聲音干預治療也是未來的前沿研究趨勢。認知神經科學通過腦電技術與音樂領域的交叉研究，不僅可以揭秘人類對音樂信息的認知過程，同時也有助于通過音樂認知探索大腦的組織結構。

圖5 第2 階段腦電與各學科交叉領域的共詞網絡

在管理學領域中，主題詞neuroscience 表明當前神經科學已與決策、營銷等傳統管理問題產生交叉融合；主題詞emotion 表明情緒在管理活動中的關鍵作用，探討不同情緒對商業營銷、分心駕駛、記憶感知等造成的影響；主題詞decision-making 探究線上購買決策的神經機制；主題詞individualdifferences 對比生理和心理方法檢測內隱信息的有效性，同時individual-differences、judgment 從意識形態視角討論道德領袖的個人特質及成因。新興主題詞work、science 等主要從神經科學與道德心理學視角探討道德領導的成因，主題詞lifestyle centers 表明多功能生活方式中心的神經科學觀點成為研究新視角。作為一種替代研究方法，腦電技術憑借客觀的研究數據、更加真實的研究結果在該領域得到廣泛應用。

娛樂休閑旅游領域中主題詞executive function、physical activity 表明體育鍛煉、有氧運動、身體素質等因素對運動反應抑制的影響是該領域關注重點，并且主題詞cognition 進一步反映了認知能力在運動反應抑制中扮演重要角色；主題詞performance、sport performance 研究了團隊環境的適應性、心理運動效率、神經反饋訓練、神經視覺過程與運動員運動任務績效的作用以及高壓狀態下左右利手運動員的表現差異等內容。新興主題詞neuromarketing、emotions 等證明神經營銷學已用于旅游業的營銷研究，并且旅游營銷的認知神經機理、營銷情緒測量、基于腦神經的營銷策略制定已成為該領域的新興研究趨勢。在該領域應用腦電技術探索個體真實想法，實現了研究數據的可檢驗性、可重復性，可為未來發展滿足人類不斷提高的精神追求提供理論依據。

傳媒領域中主題詞attention、arousing content、emotion 探討電視廣告、圖形運動和情感內容等視聽信息對大腦皮層活動的誘發和情緒的喚醒效果等內容；主題詞memory 以個體記憶為指標，檢驗不同媒介視聽信息的有效性；主題詞scene changes 研究處理視聽信息時注意力分配和大腦活動情況相關，說明neuroscience 在傳媒領域已得到一定應用。新興主題詞gamification 說明游戲元素對用戶的大腦體驗具有重要作用，主題詞perception 討論不同編輯風格中的剪輯和插入視頻如何影響觀眾的注意力，表明該領域未來利用腦電研究的新興趨勢。該領域研究方法的創新，不僅顯著提高了媒體用戶及觀眾反饋信息的真實性，也為視聽信息有效呈現方式的選擇提供了借鑒。

4.3 持續發展階段（2001—2021 年）

圖6 展示了家庭研究（2006 年）、經濟學（2008年）、商業（2009 年）、情報學（2014 年）四個領域的知識主題圖譜。在家庭研究領域中，主題詞face 探索嬰兒的面部表情處理方式和能力；主題詞attachment 研究父母表現與孩子未來發展之間的關系、學齡兒童在其青少年時期出現健康危險行為預測；主題詞mothers 挖掘母親的情緒及生活行為對嬰兒的影響，這是腦電技術在該領域應用的重點。此外新興主題詞sensitivity、empathy、perspective 等表明母親對嬰兒特殊情緒的識別和感知，主題詞parenting stress 表明父母的狀態對自身感知能力的影響也是未來的研究趨勢。由于腦電技術依靠腦電信號采集數據，解決了常規方法難以收集家庭情境中缺乏表達能力人群（如嬰兒）數據的問題，使該領域研究得到突破。

圖6 第3 階段腦電與各學科交叉領域的共詞網絡

經濟學領域中主題詞brand、consumer 重點研究了品牌效應如何提高消費者態度、認知及增強消費者記憶，并根據生理變化對消費者偏好信息的獲取、消費者行為的預測進行了探索；主題詞decisionmaking 探索決策行為與特定腦區激活之間的關系、決策沖突和損失規避背后的心理機制等內容；主題詞emotion 探究主體認知和情感過程控制與決策的關系，商品體驗情緒對商品價格的影響。新興主題詞advertisements 分析不同廣告類型對消費者的影響，新興主題詞gender、surroundings、match-up hypothesis 所探討的吸引力、性別、環境等因素對消費者情緒的影響也成為近期的關注熱點。探索經濟決策背后的心理變化和大腦活動有助于縮小假設決策與真實決策之間差異，腦電技術憑借這一優勢得到該學科廣泛重視。

商業領域中主題詞neuromarketing 表明神經營銷學已成為該領域的主流研究分支，神經科學neuroscience 方法已成熟應用于商業活動中人的神經生理變化并預測其消費行為；主題詞advertising effectiveness、emotion 研究了廣告對消費者的影響以及消費者情感、情緒與產品認知之間的聯系。新興主題詞visual-attention 借助眼動儀、腦電圖測量廣告傳遞媒介（如紙張、網站、手機等）的有效性，media、psychophysiolog 探究媒體品牌知識對消費者情緒和注意力的影響，電視和視頻對觀眾生理和心理的影響等，都將成為未來研究趨勢。該領域應用腦電技術研究了消費者決策的影響因素，解決了以往研究方法中動態測量難、主觀性強等問題。

情報學領域中主題詞neuroscience 表明認知神經科學已應用于用戶信息行為研究中，并探討了人類情感與信息系統的關聯性。主題詞information、information security、cognition 表明該領域的兩個研究重點，其一是探討界面信息排版方式對用戶認知負荷、搜索效率的影響；其二是關于信息安全領域的認知行為。新興主題詞attention、post-classical editing style、visual cortex 研究不同編輯風格如何影響觀眾注意力的問題，feedback、web、framework 研究不同相關性水平的文本信息的認知過程差異性，criteria 探究觀眾對主題無關鏡頭和主題相關鏡頭的反應等，亦是今后的研究熱點。該領域應用腦電技術能夠客觀地了解個體的信息處理過程，為人類用戶對信息技術的認知心理研究提供新的見解。

5 結論

跨學科知識交叉融合體現了不同學科間知識的轉移、知識的消化吸收與知識的集成創新，對跨學科知識的交叉與融合機制分析，可以發現不同學科的知識交叉路徑及融合主題，這是發現學科交叉內在規律的重要方式之一。由于當前認知神經科學領域的腦電技術已逐步應用于人文社科領域，因此本研究以腦電技術為例，以交叉應用腦電技術的人文社科領域文獻為數據來源，利用時序分析法來探究跨學科知識的交叉路徑，觀察腦電技術與各學科交叉文獻的分布規律；進而借助共詞分析法，挖掘不同時間段腦電技術與各學科知識的融合主題，分析當前知識交叉格局及未來交叉趨勢。主要研究結論如下：

針對于跨學科知識的交叉路徑分析，可以發現跨學科知識交叉融合可通過一定的技術手段來實現。腦電技術于1970 年首次應用于公共環境職業健康領域，隨后應用于教育研究、體育科學、語言學等領域，至今認知神經科學通過腦電技術已與12 個人文社科領域發生交叉，且學科交叉數量在1990 年以后穩步增長。從交叉領域的文獻數量分布來看，整體呈現交叉越早文獻越多的規律，在此語言學獨樹一幟，發文量遠高于其他領域，說明腦電技術為語言學問題的研究帶來有力幫助，因此得到廣泛應用。此外，絕大部分領域在近幾年的知識交叉速度都顯著增加，表明學科交叉越來越成為當前科學研究的主流范式之一。

針對于跨學科知識的融合主題分析，可以發現跨學科知識融合一般會在已有學科研究的薄弱環節發生。具體來說，當前人文社科領域對個體的研究多限于行為觀察或問卷調查，對個體真實的內在心理機制卻難以探求，而腦電技術與人文社科領域的交叉可以有效挖掘個體不同情境下的腦認知活動，如注意力機制、情緒機制、記憶（工作記憶/學習記憶）機制、認知負荷、認知控制、壓力機制、睡眠機制等方面，以客觀的實驗數據反映個體心理狀態和認知過程，彌補了傳統人文社科領域對個體研究的不足。從未來趨勢來看，人文社科領域在探索不同情境下腦認知機制的基礎上，已延伸到對行為的預測，并將人工智能算法（如機器學習、深度學習、霧計算等）應用到預測研究中。

本研究還存在一定的局限性。首先，本研究僅采用Web of Science 數據庫中的SSCI 和A&HCI 數據庫作為文獻數據來源，未將發表在SCI 期刊且尚未被SSCI 數據庫收錄的人文社科類文獻納入研究，未來應擴大數據范圍，保障研究的完整性和準確性；其次，針對于跨學科知識的交叉與融合機制研究，本文是以認知神經科學領域的腦電技術作為研究案例，但通過本文結論也可以看出眼動實驗與腦核磁亦是常用研究工具，未來可嘗試通過這兩種認知神經科學技術，來研究認知神經科學與人文社科領域知識的交叉路徑、知識的融合主題、特征等跨學科發展的規律性問題。