[論文レビュー] Interdisciplinary Relationships Between Biological and Physical Sciences

Paulo E. P. Burke, Luciano da Fontoura Costa|arXiv (Cornell University)|May 8, 2019

Bioinformatics and Genomic Networks参考文献 37被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、Wikipediaデータと文献レビューを用いて、生物学的・物理学的科学分野間の学際的関係を特定するための複雑ネットワークベースの手法を提案する。Wikipediaネットワークと文献ベースのハイパーグラフの間で高い一致が得られたが、Wikipediaはより複雑で相互に接続された関係を明らかにした。生物学的科学分野との間で、物理学的科学分野よりも強い相互接続が確認された。

ABSTRACT

Several interdisciplinary areas have appeared at the interface between biological and physical sciences. In this work, we suggest a complex network-based methodology for analyzing the interrelationships between some of these interdisciplinary areas, including Bioinformatics, Computational Biology, Biochemistry, among others. This approach has been applied over respective data derived from Wikipedia. Related reviews from the scientific literature are also considered as a reference, yielding a respective bipartite hypergraph which can be used to gain insights about the interrelationships underlying the considered interdisciplinary areas. Several interesting results are obtained, including greater interconnection between the considered interdisciplinary areas with biological than with physical sciences. A good agreement was also found between the network obtained from Wikipedia and the interrelationships revealed by the literature reviews. At the same time, the former network was found to exhibit more intricate relationships than in the hypergraph derived from the literature review.

研究の動機と目的

• 生物学的・物理学的科学の交差分野における学際的科学的分野の相互関係を定量化するデータ駆動型手法を開発すること。
• Wikipediaから得られた知識ネットワークと、従来の科学文献レビューから得られたネットワークを比較すること。
• バイオインフォマティクス、コンピュテーショナルバイオロジー、バイオケミストリーなどの学際的分野の構造的複雑性と接続パターンを評価すること。
• 生物学的・物理学的科学分野間の主要なハブおよびブリッジを、学際的知識ネットワークにおいて同定すること。
• Wikipediaが科学的学際性の代理としての可能性を評価し、キュレートされた文献レビューと対比すること。

提案手法

• 生物学的・物理学的・学際的科学に分類されたWikipedia記事から、引用ネットワークを構築する。
• 科学分野ごとの記事数の不均衡を補正するため、データサンプリングを用いて正規化手法を適用する。
• 共有の参照文献や記事間リンクに基づいて、科学分野間の相互接続を集約し、上位レベルの知識ネットワークを生成する。
• 文献レビューから二部グラフ（ハイパーグラフ）を構築し、学際的分野をノードとして、それらが含む生物学的・物理学的科学分野と接続するように表現する。
• Wikipediaから導出されたネットワークと文献レビューに基づくハイパーグラフを比較し、構造的一致性と複雑性を評価する。
• 複雑ネットワーク分析を用いて、得られた知識グラフ全体における接続性、中心性、学際的パターンを定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バイオインフォマティクスやバイオケミストリーなどの学際的科学分野は、生物学的科学および物理学的科学とどのように関係しているか？
• RQ2 Wikipediaから導出された知識ネットワークは、従来の科学文献レビューで特定された相互関係をどの程度反映しているか？
• RQ3 学際的分野は生物学的科学、それとも物理学的科学とより強く結びついているのか。そのパターンの背後にはどのような要因があるか？
• RQ4 Wikipediaベースのネットワークの構造的複雑性は、文献レビューに基づくハイパーグラフと比べてどの程度異なるか？
• RQ5 なぜバイオテクノロジーはWikipediaネットワークでは顕著に接続されているが、文献レビューではほとんどカバーされていないのか？

主な発見

• Wikipediaから導出されたネットワークは、文献レビューに基づくハイパーグラフよりも、学際的分野同士の相互接続が顕著に強く、より複雑で統合された関係性を示している。
• 学際的分野が生物学的科学分野と結びつく傾向が、物理学的科学分野よりも顕著であることが判明し、これらの分野が生物学的科学に偏って発展している可能性を示唆している。
• バイオケミストリーはネットワーク内で中心的ハブとして浮き彫りとなり、生物学的科学分野および物理学的科学分野と両方で強い接続を持つ。
• ケミストリーは生物学的科学と物理学的科学の間をつなぐ重要なブリッジとして機能し、学際的分野の統合を促進している。
• バイオテクノロジーはWikipediaネットワークでは非常に高い接続性を示したが、選定された文献レビューのどのものにも顕著に含まれていなかった。これは、従来のレビューにおけるカバー不足を示している。
• Wikipediaネットワークと文献ベースのハイパーグラフの間には強い一致が認められたが、バイオテクノロジーを除いては、これはWikipediaが軽視されがちな学際的関係を明らかにできる可能性を示している。