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統計程式出bug,15年來的大腦研究作廢?


調查發現fMRI軟件有漏洞或致15年大腦研究無效。
研究發現,fMRI 常用統計軟件的漏洞導致多篇關於腦神經研究的論文可靠性受質疑。攝 : MIGUEL MEDINA via AFP

功能性磁振造影(fMRI,functional magnetic resonance imaging)是一種神經影像學方法,其原理是利用磁力共振造影來測量神經元活動所引發的腦部血液流動的細微變化。fMRI 得到的掃描數據會被輸入統計軟件中進行分析,以獲知大腦不同區域的功能定位。

由於這種方法具有非侵入性、無輻射暴露問題等優點,它從1990年代初開始就在腦部功能定位研究領域被廣泛應用。比如,科學家曾利用 fMRI 研究人類在思考某一具體名詞,或接到某一指令時,大腦在哪些區域產生相應的活動,以揭示外部信息影響人腦工作的機制。

但最近來自瑞典和英國的研究人員近期在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上發表論文指,被廣泛應用 fMRI 數據處理的常用軟件包存在漏洞,導致過去15年間全球關於人腦活動的4萬篇研究論文的可靠性受到質疑。

儘管 fMRI 已經有25年的歷史了,但令人驚訝的是,這種技術的最常見統計方法均未經過真實數據的驗證。

對 fMRI 軟件包提出質疑的論文

在過往的研究中,科學家們首先會用 fMRI 將被測試的大腦「劃分」為密集的被稱為「三維像素」(Voxel)的小單元,這些像素能夠表徵大腦活性。然後,研究人員需要用統計軟件對這些像素進行分類,尋找具有相似活性的「集群」(Cluster),並藉此計算出大腦活動的區域位置。

這篇提出質疑的論文使用了來自全球499名健康人類的靜息態(Resting-state,即大腦非任務狀態)fMRI 腦部掃描數據,並將其分為20組,然後隨機將某兩組分別指定為「實驗組」和「對照組」進行軟件測試。隨後,這些數據被數千次地分配到最常用的 fMRI 統計軟件包 SPM、FSL 和 AFNI 中的一個進行分析。但測試數據被分析出來是「假陽性」(False-positive)的誤報率高達70%,而研究團隊事先預估只有5%的平均誤報率。

這一大大超出常理的誤報率直指 fMRI 軟件包存在的重大漏洞。論文第一作者、瑞典林雪坪大學(Linköping University)學者 Anders Eklund 稱,其中一個漏洞在去年5月時被修正,但已經存在了15年之久,這是因為科學家目前還沒有可靠的辦法對 fMRI 的分析結果進行實際驗證。

Eklund 及其研究團隊在注意到這個漏洞後,便開始了這項針對軟件包可靠性的研究。他們近期發表的成果意味着,科學家在過去十幾年間所做的關於人類戀愛、運動、遊戲甚至吸毒時腦部變化的研究結果,可能都是存在問題的。

但這一研究成果也受到不少神經學家的質疑,他們認為這過分誇大了漏洞的實際影響。和 Anders Eklund 共同撰寫這篇論文的 Thomas Nichols 上週就發表網誌,將受影響的論文篇數下修到3500篇,他同時還指出,這3500篇論文也不見得全錯,也要視乎每個實驗測量閾值的大小。

fMRI

功能性磁振造影(functional magnetic resonance imaging)是一種新興的神經影像學方式,其原理是利用磁振造影來測量神經元活動所引發之血液動力的改變。由於 fMRI 的非侵入性、沒有輻射暴露問題與其較為廣泛的應用,從1990年代開始就在腦部功能定位領域佔有一席之地。目前主要是運用在研究人及動物的腦或脊髓。血氧濃度相依對比(Blood oxygen-level dependent,BOLD)首先由貝爾實驗室小川誠二等人於1990年所提出,小川博士與其同事很早就了解 BOLD 對於應用 fMRI 於腦部功能性造影的重要性,但是第一個成功的 fMRI 研究則是由 John W. Belliveau 與其同事於1991年透過靜脈內造影劑(Gadolinium,Gd,釓)所提出。接着由鄺健民等人於1992年發表在人身上的應用。同年,小川博士於4月底提出了他的結果且於7月發表於 PNAS。在接下來的幾年,小川博士發表了 BOLD 的生物物理學模型於生物物理學期刊。Bandettini 博士也於1993年發表論文示範功能性活化地圖的量化測量。(資料來自維基百科)

來源:PNASScience AlertWired

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