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自闭症科学家如何解决大脑成像的复制问题

通过/ 2021年6月30日

当麦克斯韦·艾略特(Maxwell Elliott)的最新研究论文去年6月开始在Twitter上发表时,他并不确定自己的感受。

艾略特,北京大学临床心理学研究生哈里里北卡罗莱纳达勒姆杜克大学的实验室研究功能磁共振成像(fMRI),以及它如何被用来更好地理解诸如痴呆和自闭症等神经系统疾病。

他很兴奋,这个领域的“本质”方面,正如他所描述的,正在获得更多的关注,但引起轰动的原因让他失望:一个新闻机构已经拿起了这个故事,并运行它标题被夸大了“杜克大学的研究人员说,你所读过的每一项大脑活动研究都是错误的。”

“他们似乎完全误解了这一点,”埃利奥特说。

他的研究发表在心理科学,并没有像标题所说的那样,贬低30年的功能磁共振成像研究。然而,它确实让人对实验的可靠性产生了疑问使用功能磁共振来梳理差异人们大脑对刺激的反应。埃利奥特和他的同事们发现,对于某些活动,比如情绪处理任务,当人们被扫描多次,间隔数月时,大脑活动模式的个体差异并不成立。

埃利奥特一直担心研究人员的反应,他们利用这些模式来区分患有和不患有某些神经精神疾病(包括自闭症)的人。耸人听闻的报道只会加深这种恐惧。

许多在脑成像领域的人跳出来为埃利奥特和他的同事们辩护谴责新闻媒体的错误描述,但其他人对这项研究以及他们所认为的功能磁共振成像极限的过度泛化. 双方都认为功能磁共振成像存在可靠性问题,这一观点引起了共鸣,在twitter领域引起了广泛的反响。

尽管去年人们喋喋不休,但对大脑成像研究的担忧并不是什么新鲜事。批评人士此前错误地声称,功能磁共振成像是如此无用,它可以找到信号在一条死鲑鱼里更合理的是,即使是呼吸扭曲脑部扫描结果超越可用性。

不管怎样,许多脑成像研究人员对这些工具的功能持乐观态度。他们不会忽视其他科学家提出的问题,但他们倾向于将这些问题视为一个相对较新领域的成长烦恼。一些问题,特别是那些通过数据收集和分析产生的问题,可能会得到解决;有些方法本身可能更具地方性。但没有一个像许多推特和头条所宣称的那样可怕。

他说:“提醒人们,不管这个领域有多先进,你都必须牢记这些局限性,这是没有坏处的。”凯文·佩尔弗里夏洛茨维尔弗吉尼亚大学脑研究所神经病学教授。

冲洗管道:

影像学研究的一些问题是从数据收集开始的。这个自闭症脑成像数据交换例如,数据集在17个不同的地点用相对较少的扫描次数(来自539名自闭症患者和573名非自闭症患者)启动,对数据集的早期分析发现广泛的可变性根据扫描的地点。2015年的一项研究表明,这种变异甚至可能导致错误结果.

从那时起,研究人员又增加了1000次脑部扫描,总共使用了19个部位。较大的样本量应改善一些可复制性问题研究小组说,通过扫描。他们还计划以小组形式开会,讨论如何标准化数据收集。

当成像数据到达分析阶段时,会出现其他问题。2020年5月,就在埃利奥特和他的同事发表他们的研究几个星期之前,以色列特拉维夫大学的一个团队发表了一篇论文。自然展示如何用于分析功能磁共振数据的不同管道也可能导致广泛变化的结果。

在这项工作中,70个独立的研究小组分析了相同的原始fMRI数据集,每个小组测试了相同的9个假设,但由于没有两个小组使用完全相同的工作流程来分析扫描结果,他们最终都报告了不同的“发现”

工作流问题也困扰着我们结构磁共振扫描它揭示了大脑的解剖结构而不是活动。根据Elliott和他的同事的研究,尽管这种形式的核磁共振成像在扫描到扫描之间比功能磁共振成像更可靠,但一项未发表的调查显示,42组人试图通过同一个大脑追踪白质束很少产生同样的结果. (2017年的一项研究发现,研究小组可以成功地识别出90%的潜在神经束,但不能不产生一个新的结果大量假阳性.)

Pelphrey说,工作流程的不一致是大脑成像结果难以重现的一个主要原因。他说,在对一组图像进行分析的过程中所做的每一个决定——例如,在何处设置构成大脑活动的阈值——都依赖于能够最终产生有意义影响的假设。

扫描器中的子对象

倾斜扫描:研究地点和分析管道的差异使复制成像结果变得困难。

约翰尼格里格/伊斯托克

同样地,研究人员用来追踪白质的不同方法可能会改变两个彼此靠近的脑区是否被解释为像“X”一样交叉,或者仅仅是“接吻”,然后彼此弯下腰露丝·卡珀加利福尼亚圣地亚哥州立大学心理学副教授。关于如何定义灰质和白质在大脑皮层也会扭曲结果。

为了解决这类问题,人脑绘图组织(OHBM)提出了以下建议:分析MRI和fMRI数据2016年,并在次年增加了脑电图和脑磁图的指南,这两种方法同样用于收集活体大脑的数据。该组织正在努力更新这些建议。

他说,指导方针背后的想法是帮助研究人员在整个分析过程中做出更好的选择约翰·达雷尔·范霍恩弗吉尼亚大学心理学和数据科学教授和OHBM最佳实践委员会的联合主席。

范霍恩说,这些指导方针还鼓励“每个人对他们所做的(分析)保持透明,这样就不会成为一个谜”。

他说,除了提高可复制性外,更高的透明度使研究人员更容易弄清楚一个分析管道是否比另一个更好通雅白荷兰鹿特丹的伊拉斯穆斯大学儿童和青少年精神病学副教授,他也在OHBM指南上工作。

她说:“如果你提出了一种新的算法,你说它更好,但你不把它与旧方法相比较——你怎么知道它更好呢?”。

挺住:

对许多科学家来说,更好的图像收集和分析是唯一的出路。尽管面临着挑战,但据报道研究人员远离大脑成像-对于某些调查,没有替代品。

“你不能用死后的组织来询问老鼠的语言”或者大脑随时间的变化,卡珀说。

随着时间的推移,大量的影像学发现确实成立:所有人的某些大脑区域都会对相同的刺激做出反应;人们确实有各自的连接模式;Pelphrey说,扫描可以预测重要的行为类型,比如执行功能和社交能力。当结果不一致时自闭症奖赏加工的fMRI研究,一些研究人员已经开始实施一种算法,这种算法有助于了解大脑中对任务做出反应时不断被激活的区域。

佩尔弗里说:“有很多东西从一个实验室复制到另一个实验室真的很好,通过了解大脑是如何工作的,从而限制了大脑如何工作的理论。”我不认为这些都消失了,只是因为我们知道,我们必须非常小心地在一个人身上进行一次又一次扫描的预测。”

卡珀说,随着科学家们在收集和分析成像数据方面越来越在行,他们也可以在更清楚地了解他们所使用的技术的基础上,改进对成像数据的解释。以功能磁共振成像为例,大多数的任务都是为了识别对特定刺激有反应的大脑区域,而不是为了探测个体差异。某些自然主义刺激可能产生更可靠的结果埃利奥特和他的同事在本月的一篇评论中报道认知科学的发展趋势.

这项新的研究概述了其他一些策略,以避免团队去年指出的功能磁共振成像可靠性问题。策略包括运行更长的扫描来收集更多的数据,开发更好的方法来模拟扫描中的噪声,以及利用新技术来更好地隔离神经活动的标记。

他说,埃利奥特确实求助于推特来推广这项新工作,但他对另一场社交媒体争议不感兴趣。他只是很高兴听到人们对报纸本身的看法。

“我想用比微博更好、更长的形式来反思(这些想法)。”

引用本文:https://doi.org/10.53053/JGHN8805