Martwy łosoś, czyli co pokazuje funkcjonalny rezonans magnetyczny

Xawer zamieścił dziś na blogu tekst o prowokacji z martwym łososiem. To bardzo ciekawa historia, która miała miejsce przed dwoma laty i wywołała ogromną dyskusję w gronie badaczy mózgu. Może warto przy okazji wyjaśnić, jak funkcjonuje rezonans magnetyczn. Bez tej wiedzy z historii łososia niewiele wynika. Oto fragment artykułu, który napisałam półtora roku temu.

Zgłaszane przez sceptyków wątpliwości dotyczą również interpretacji danych uzyskanych za pomocą neuroobrazowania. Od mniej więcej15 lat dużą popularnością wśród badaczy cieszy się funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI), nieinwazyjna metoda pozwalająca na obrazowanie aktywności mózgu, dzięki której w badaniach neurofizjologicznych dokonał się prawdziwy przełom. Podczas gdy pacjent leży w skanerze, komputer dokonuje odpowiednich obliczeń i po pewnym czasie  na ekranie ukazuje się kolorowa mapa aktywnych obszarów jego mózgu. Zrozumienie zalet i ograniczeń fMRI wymaga skrótowego choćby opisu zasad jego funkcjonowania. Podczas gdy w rezonansie magnetycznym bada się magnetyczne właściwości wodoru, rezonans funkcjonalny poddaje analizie hemoglobinę. Badanie rozpoczyna się od namagnesowania jej cząstek, które zawarte są w krwi przepływającej przez obserwowane struktury mózgowe. Umieszczone w skanerze cewki wysyłają w kierunku mózgu impulsy elektromagnetyczne. Pod ich wpływem hemoglobina w zależności o tego, czy transportuje tlen (oksyhemoglobina), czy też jest go pozbawiona (deoksyhemoglobina) różnie się zachowuje. Oksyhemoglobina, mając inne właściwości magnetyczne niż deoksyhemoglobina, wysyła inne sygnały, które zostają zarejestrowane przez cewki, pełniące w skanerach również rolę odbiorników. Teraz przychodzi kolej na komputer, który musi dokonać skomplikowanych obliczeń. Badanie to wykorzystuje fakt, iż do aktywnych struktur mózgowych dociera więcej utlenowanej krwi w porównaniu do sytuacji kontrolnej (osoba badana czyta – nie czyta, rusza palcem – nie rusza).

Zarejestrowane przez skaner różnice emitowanego sygnału pokazują stan pobudzenia danej struktury najpierw w stanie spoczynku, a następnie, gdy podejmuje określoną aktywność. Problem w tym, że każda, nawet najbardziej prosta aktywność, aktywizuje wiele różnych stuktur mózgowych i wymusza komunikację między nimi. Chcąc uchwycić zmiany badacz musi wybrać określone, często niewielkie obszary i śledzić zachodzące w nich zmiany. Aby to było możliwe mózg został podzielony na 130 000 tysięcy sześcianów (kostek), są to tzw. woksele (ang. Voxel – volume element). Właśnie wielkość owej najmniejszej jednostki pomiaru wykorzystywanej w opisie rekonstrukcji pokazuje granice możliwości funkcjonalnego rezonansu magnetycznego. W jednym sześcianie, tzn. jednym wokselu, mieści się od  500.000 do trzech milionów neuronów, które mogą mieć nawet do 27 miliardów synaps. Rozdzielczość przestrzenna, z jaką możemy dziś obserwować mózg z pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego nie jest satysfakcjonująca. A przecież proces uczenia się zachodzi na poziomie pojedynczych synaps. Od sposobu, w jaki odbywa się nauka zależy np. ilość dendrytów, jakie wykształcą poszczególne neurony. Im więcej dendrytów, im gęstsza sieć połączeń neuronalnych, tym efektywniejszy proces uczenia się. Tych zmian na poziomie micro za pomocą fMRI dziś obserwować się jeszcze nie da. To tak, jakby ktoś chciał opisać budowę ludzi, na podstawie obrazu, w którym najmniejsza jednostka miałaby wymiary boiska do gry w piłkę nożną. Rozdzielczość, jaką dziś uzyskuje się podczas badania funkcjonalnym rezonansem magnetycznym nie pozwala na zbyt dokładny wgląd w sposób funkcjonowania połączeń neuronalnych, choć dysponujemy już możliwościami fotografowania nawet pojedynczych synaps z pomocą mikroskopów elektronowych. Do pełnego zrozumienia sposobu funkcjonowania mózgu i procesów uczenia się jeszcze nam daleko.

Dla każdego woksela wyznacza się poziom tzw. sygnału BOLD (ang. skrót od blood oxygen level dependent), pierwszy raz w stanie spoczynku, a następnie w sytuacji, gdy wykonuje określone zadanie. Przypomnijmy, im więcej tlenu transportuje krew, tym silniejszy sygnał BOLD. Im bardziej zadanie aktywizuje określone struktury mózgowe do pracy, tym silniejsze ukrwienie i tym większa zawartość tlenu w krwi przepływającej przez aktywne struktury (oksyhemoglobina). Komputer, biorąc pod uwagę stan wyjściowy, osobno dla każdego woksela mierzy zmiany w poziomie sygnału BOLD. W ten sposób sprawdza, czy w obserwowanych strukturach zaszła istotna zmiana. Problemem jest jej wielkość. Każdy badacz musi sam dobrać parametry i ustalić, jaką różnicę w poziomie sygnału uzna za istotną. Aby ograniczyć ryzyko błędu od 2011 roku, czyli po historii z łososiem, trzeba stosować określone poprawki statystyczne. Przed ich wprowadzeniem czynność owego wyskalowania pomiaru dopuszczała pewną dozę subiektywizmu. Jeśli ktoś chciał wykazać różnice w poziomie sygnału BOLD, to bez poprawek statystycznych mógł to zrobić. W zasadzie dwa dowolnie wybrane, przeprowadzone w pewnym odstępie czasu badania, zawsze wykażą jakieś zmiany. Może to być spowodowane najróżniejszymi czynnikami, np. tym, że obserwowana osoba wypiła wcześniej kawę i w pierwszym badaniu wpływ kofeiny na jej mózg był silniejszy niż w drugim, albo faktem, że przed pierwszym badaniem, nie wiedząc, co ją dokładnie czeka, bardzo się denerwowała. Różnice mogą być spowodowane zarówno czynnikami natury emocjonalnej jak i fizycznej, np. wchodzeniem po schodach lub brakiem snu. Czynników wpływających na zmiany aktywności mózgu jest wystarczająco dużo, by sprawiać ogromne trudności badaczom, którzy dopiero poznają nową metodę badania i wciąż jeszcze uczą się, jak przeprowadzać obserwacje, by mierzyć jedynie zmiany wywołane przez wybrany czynnik.

Problemowi temu poświęcono ostatnio wiele publikacji, a w jednym z zeszłorocznych numerów tygodnika „Der Spiegel” ukazał się ciekawy artykuł Veroniki Hackenbroch. Na przykładzie badań neuroradiologa Timo Kringsa z uniwersytetu w Toronto, autorka pokazuje, jak łatwo z badań funkcjonalnym rezonansem magnetycznym wyciągnąć z gruntu fałszywe wnioski. Krings badając orientację przestrzenną u kobiet i mężczyzn doszedł do wniosku, że te same zadania aktywizują u kobiet dużo więcej struktur neuronalnych niż to ma miejsce w przypadku mężczyzn. Można było na tej podstawie sformułować wniosek, iż męskie mózgi są pod tym względem sprawniejsze, a stąd już tylko krok do „naukowego” wyjaśnienia na przykład rzekomych problemów kobiet z parkowaniem. Jednak dzięki ponownie przeprowadzonym pomiarom okazało się, że wnioski takie byłyby z gruntu fałszywe. W drugim badaniu u przedstawicieli obu płci aktywne były niemalże te same struktury mózgowe. Okazało się, że na wynik pierwszego badania u kobiet wpływ miała faza ich cyklu miesiączkowego i obecność we krwi estrogenu. Krings doszedł do wniosku, że ten hormon zwiększając znacznie ukrwienie, wpłynął na wynik badania. Silniejsze pobudzenie obserwowanych struktur mózgowych podczas wykonywania zadania wynikało więc z różnego poziomu hormonów. Przykład ten pokazuje, jak wielkiej staranności wymaga prowadzenie badań z pomocą fMRI i jak ważne jest weryfikowanie raz uzyskanych wyników.

 

Obraz jaki uzyskuje się za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego nie jest – jak można by przypuszczać – zdjęciem pracującego mózgu. Badanie to nie pokazuje nawet aktywności mózgu, a jedynie zwiększony przepływ krwi, który jest tej aktywności skutkiem. To, co osoba przeprowadzająca badanie widzi na ekranie komputera jest pochodną przeprowadzonych pomiarów i bardzo skomplikowanych obliczeń matematycznych, których dokonuje komputer. Interpretacja wyników pozostawia badaczom pewną dozę dowolności i subiektywnego doboru parametrów. Bez odpowiedniej rzetelności na podstawie fMRI można udowodnić niemal wszystko, nawet to, że mózg martwego łososia reaguje na ludzkie twarze.

 

Jak mózg martwego łososia reaguje na zdjęcia ludzkich twarzy

Takie absurdalne badania przeprowadził Craig Bennett, znany neuropsycholog z University of California. Przeprowadzony przez niego eksperyment wyglądał następująco: dwukilogramowego łososia Bennett umieścił w skanerze, a następnie pokazywał mu zdjęcia różnych osób i badał, sygnały emitowane przez mózg ryby. Problem w tym, że łosoś był martwy. Mimo to, skaner zarejestrował aktywność w jednym maleńkim obszarze jego mózgu. Wyniki swojego eksperymentu Bennett zaprezentował na konferencji w San Francisco, w której brało udział wielu przedstawicieli neuronauk. Chciał w ten sposób zaprotestować przeciw praktykom stosowanym w niektórych ośrodkach badawczych. Dołączane do artykułów kolorowe skany mózgu miały uwiarygodnić nawet mało prawdopodobne wnioski.

Celem Craiga Bennetta, badacza, który sam w swojej pracy wykorzystuje fMRI, nie było podważenie metody jako takiej. Jego absurdalny eksperyment miał pokazać, jakie wyniki można uzyskać, jeśli badania przeprowadzane są nierzetelnie. Zdaniem Bennetta nawet 25 – 40% autorów publikacji dotyczących badań fMRT i publikowanych w specjalistycznych czasopismach było przeprowadzanych bez odpowiednich obliczeń korygujących. Kolorowe skany rzekomo „pokazywały”, dlaczego kobiety są gorszymi kierowcami lub gdzie umiejscowiona jest wolna wola. Choć funkcjonalny rezonans magnetyczny otworzył przed badaczami zupełnie nowe możliwości i dostarczył wielu wiosków zmieniających nasze rozumienie procesu uczenia się, to z jego pomocą nie da się wyjaśnić wszystkiego. Jednak niektórym badaczom trudno było oprzeć się pokusie wykorzystywania skanów mózgu do formułowania nierzetelnych tez. Po prowokacji Craiga Bennette’a badaczy publikujących swoje wyniki w renomowanych pismach obowiązują bardziej restrykcyjne zasady. Historia z łososiem przyniosła więc pożądane efekty. Rezonans magnetyczny to wciąż rozwijana i udoskonalana metoda, pozwalająca na obserwację zjawisk, które jeszcze niedawno w ogóle nie poddawały się obserwacji, ale mająca też swoje organiczenia, ale która z każdym rokiem jest coraz lepiej wykorzystywana. Piętnastoletnia historia, to naprawdę niewiele.

Ponieważ na rynku jest jeszcze inne wydanie „Neurodydaktyki” informuję, że prawa do mojej książki ma jedynie Wydawnictwo Naukowe UMK i tylko pod zawartymi w tej książce tezami mogę się podpisać. Za błędy zawarte w innym wydaniu, nie ponoszę odpowiedzialności. Swoim nazwiskiem firmuję jedynie „Neurodydaktykę” z pokazaną tu okładką. Jeśli ktoś chce przeczytać MOJĄ książkę, to proszę korzystać z wydania z  granatowym profilem twarzy.  Ustawa o prawie autorskim i prawach pokrewnych stanowi, iż to autor odpowiada za treść i formę swojego dzieła. Ja miałam wpływ jedynie na formę i treść książki wydanej przez Wydawnictwo Naukowe UMK.

Neurodydaktyka

Kiążkę można kupić przez internet np. tu:

http://www.kopernikanska.pl/prod_193628_Neurodydaktyka_Nauczanie_i_uczenie_sie_przyjazne_mozgowi.html

 

Comments ( 0 )
  1. Piękny wykład o fMRI!

    Mam nadzieję, że ta prowokacyjna demonstracja rzeczywiście spowodowała (spowoduje?) wyeliminowanie przynajmniej tego źródła błędu — szumów czysto statystycznych. Jak piszesz (i jak pisze Bennett) prawie połowa badań nie była korygowana na takie efekty, więc otrzymywane w nich obrazy skażone są znaczącą domieszką artefaktów statystycznych. Trzeba też sobie uświadomić, że ryzyko powstawania artefaktów statystycznych rośnie bardzo szybko z rozdzielczością: jeśli pojawią się skanery fMRI o rozdzielczości większej, niż te dziś stosowane 130,000vx, to wpływ szumu statystycznego na obrazy w nich uzyskiwane będzie większy i trudniejszy do skorygowania.
    Pytanie, czy ludzie opierający się na tego typu badaniach (choćby najczęściej cytowany przez Ciebie M.Spitzer) przejrzało swoje własne prace i wyrzuciło z nich wnioski, jakie wyciągali z badań skażonych błędem. Mam nadzieję, że zrobili to.

    Bardzo pouczający jest drugi przykład, który podajesz: fałszywa interpretacja obrazów, których różnice wynikają z czysto fizjologicznych przyczyn (cyklu miesiączkowego). Przed tego typu fałszywymi interpretacjami nie da się już zabezpieczyć w mechaniczny sposób (zmieniając algorytmy analizy danych, jak to zrobił Bennett) — tu trzeba zdrowego krytycyzmu, każącego analizować i rozważać wszelkie możliwe ich źródła i prowadzić analizy porównawcze, dekorelujące ich wpływ. Nie zawsze zresztą da się takie przyczyny zdekorelować.efekty fizjologiczne.

    Cieszę się niezwykle, że artykuł Bennetta znalazł pozytywne echo wśród neuropsychologów. Do dobry znak, świadczący o „unaukawianiu się” tej dyscypliny.

    • mazylinska Post author

      Xawer,

      zdecydowana większość badań łączy neuroobrazowanie z tradycyjnymi metodami stosowanymi w psychologii czy biologii. To, o czym ja piszę, to nie są najświeższe bułaczki, ale dane potwierdzone w wielu ośrodkach badawczych. Spitzer i jego Zentrum für Neurowissenschaften und Lernen współpracuje od wielu lat również ze szkołami, a i u siebie przeprowadzają wiele badań.

    • Właśnie o to łączenie mi chodzi!

      Mamy jedno z dwojga:

      1. albo wyciąga się wniosek wyłącznie z przesłanek „psychologii tradycyjnej” a przesłanki neuroobrazowania są jedynie ozdobnikiem i argumentem czysto retorycznym, więc ich poprawność i rzetelność nie ma żadnego znaczenia dla wniosku;

      2. albo wyciąga się wniosek łącznie z przesłanek „psychologicznych” i neuroobrazowania w sytuacji, gdzie same przesłanki „psychologiczne” byłyby niewystarczające do tego wnioskowania. I tu, jeśli pojawia się wątpliwość co do rzetelności przesłanki neuroobrazowej, cały wniosek trzeba wyrzucić na śmietnik.

      W przyjętych w fizyce standardach rzetelności każdy badacz, pracujący w modelu (2.), po przeczytaniu artykułu Bennetta, przejrzałby opublikowane przez siebie prace, czy wykorzystywały jakiekolwiek dane, uzyskane bez korekty szumów statystycznych. Jeśli by taką publikację znalazł, to odwołałby ją w całości, albo ogłosił ostrzeżenie, że ta praca opierała się danych doświadczalnych obarczonych niekontrolowanym ryzykiem błędu.

    • Paweł Kasprzak

      Dla mnie te rzeczy są nowe – one są nowe po prostu – dotąd czytałem je jako ciekawostki wyłącznie, ale np. o lustrzanych neuronach dowiedziałem się teraz po raz pierwszy. I natychmiast znalazłem ileś rzeczy w badaniach kognitywistów, o których czytałem wcześniej, a które wydają się lepiej zrozumiałe, kiedy się wie o tego typu funkcjach mózgu. Mogę się spodziewać – i to byłoby zgodne z moimi własnymi wrażeniami z tych szcząkowych lektur, które mam za sobą – że w tej młodej dyscyplinie o wiele więcej jest hipotez niż faktów, ale one i tak są ciekawe i obiecujące. Co z tego wszystkiego jest faktem? Jestem bardzo ciekaw.

      Po pierwsze nie wiem, Xawer, czy słusznie zakładasz, że po artykule Bennetta ani jedna praca nie wylądowała w koszu, co sugerujesz. Po drugie np. w historii niezależne potwierdzenie z kilku źródeł bywa w cenie. Również w sytuacjach – a takie się w historii zdarzają niezwykle często – kiedy każde ze źródeł samo z siebie nie daje staysfakcjonującej pewności. W naukach eksperymentalnych oczekuje się nie tylko eliminacji informacyjnych szumów oraz odpowiednio niskiego prawdopodobieństwa przypadkowego uzyskania wyników sugerujących istnienie jakiegoś efektu. Na ogół potrzebne są replikacje doświadczeń. I rzetelna krytyka. Skąd wiemy, że tutaj tego nie ma?

      • Prace w koszu – nie zakładam! Pytam…
        Choć, nie ukrywam, wątpię, żeby ten kosz zapełnił się tak bardzo, jak to miało miejsce z pracami z astrofizyki w połowie 1990′ po wykryciu błędu w cechowaniu odległości do odległych galaktyk i w konsekwencji poprawieniu przyjmowanej wartości stałej Hubble’a.

        Przykład wielokrotnych potwierdzeń w historii odpowiada raczej replikacji doświadczeń, a nie wnioskowaniu z koniunkcji przesłanek.

        Z replikacja doświadczeń i krytyką — nie twierdzę, że nie ma, tylko powątpiewam, co jest cichym domaganiem się, by ktoś pokazał te repliki doświadczeń i krytykę używanej metodologii.

  2. wulkan

    Pani Marzeno, w jaki sposób można się z Panią skontaktować osobiście. Byłam na konferencji Autonomiczny uczeń… i tam miałam przyjemność Panią poznać. Serdecznie pozdrawiam

  3. Bardzo dobry artykuł na temat MR 🙂 Książkę w oryginalnej wersji oczywiście czytałam i polecam.

Post comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *

© 2015 Sofarider Inc. All rights reserved. WordPress theme by Dameer DJ.