突破靜息態(tài)腦功能成像變異困境：開啟神經(jīng)科學(xué)研究新征程

作者：黃湘紅 段躍初

在當(dāng)今的神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，靜息態(tài)功能腦成像技術(shù)宛如一把神奇的鑰匙，為我們打開了探索大腦奧秘的大門。它讓我們有機(jī)會(huì)窺探大腦在休息狀態(tài)下的活動(dòng)模式，進(jìn)而揭示大腦與行為中個(gè)體差異的神經(jīng)基礎(chǔ)。然而，長(zhǎng)期以來，數(shù)據(jù)處理與分析過程中產(chǎn)生的變異問題，猶如一片陰霾，籠罩著這一領(lǐng)域的研究，使得我們難以精準(zhǔn)地解讀大腦所傳達(dá)的信息，也阻礙了研究成果的可重復(fù)性和可靠性。

近期，一項(xiàng)具有里程碑意義的研究成果在《Nature Human Behaviour》雜志上重磅發(fā)表，文章對(duì)靜息態(tài)功能腦成像中的變異問題展開了深入且全面的探究，他們的研究成果為這一領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的希望和方向。

研究團(tuán)隊(duì)聚焦于功能性磁共振成像（fMRI）的最小預(yù)處理流程，這是獲取準(zhǔn)確腦成像數(shù)據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。他們精心挑選了五種廣泛應(yīng)用且獨(dú)立開發(fā)的 fMRI 最小預(yù)處理流程進(jìn)行對(duì)比分析，這五種流程分別是青少年大腦認(rèn)知發(fā)展 fMRI 流程（ABCD–BIDS）、連接組計(jì)算系統(tǒng)（CCS）、連接組分析配置流程默認(rèn)流程（C-PAC:Default）、靜息態(tài) fMRI 數(shù)據(jù)處理助手（DPARSF）以及 fMRIPrep 長(zhǎng)期支持版本（fMRIPrep–LTS（基于體積的流程））。通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，他們使用這些流程對(duì)杭州師范大學(xué)（HNU）數(shù)據(jù)集以及來自 Healthy Brain Network (HBN)的低運(yùn)動(dòng)和高運(yùn)動(dòng)隊(duì)列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

令人驚訝的是，即便使用的是同一會(huì)話的數(shù)據(jù)，不同預(yù)處理流程所產(chǎn)生的功能連接估計(jì)也存在著顯著的差異。這一發(fā)現(xiàn)通過多種評(píng)估指標(biāo)得以驗(yàn)證，無論是個(gè)體水平矩陣 Pearson 相關(guān)、逐邊（edge-wise）組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC)、圖像組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(I2C2)還是可區(qū)分性，以及在不同的圖譜（如 Schaefer 200、600 和 1,000）下，這種差異都表現(xiàn)得極為穩(wěn)健。例如，在 Schaefer 200 圖譜下，CCS、C-PAC:Default 和 fMRIPrep-LTS 之間的矩陣相關(guān)在 0.811 - 0.861 之間，ICC 在 0.742 - 0.823 之間，I2C2 在 0.785 - 0.840 之間，可區(qū)分性為 1.000，展現(xiàn)出相對(duì)較高的流程間一致性；而 DPARSF 與其他軟件包的相似性則較低，其矩陣相關(guān)在 0.639–0.729 之間，ICC 在 0.504–0.612 之間，I2C2 在 0.641–0.713 之間，可區(qū)分性在 0.990–1.000 之間。這表明不同的處理流程在對(duì)相同數(shù)據(jù)的處理上，存在著不容忽視的差異，而這些差異可能會(huì)對(duì)我們基于腦成像數(shù)據(jù)所做出的科學(xué)結(jié)論產(chǎn)生重大影響。

為了深入挖掘這些差異產(chǎn)生的根源，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了更為細(xì)致的探索。他們發(fā)現(xiàn)，盡管這些最小處理流程在基本步驟上看似一致，但在具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)上卻存在著天壤之別。從所使用的庫(kù)和工具，到算法的選擇，每一個(gè)細(xì)微的差別都可能在最終的結(jié)果中被放大。例如，DPARSF 基于 SPM/MATLAB 平臺(tái)，其獨(dú)特的算法和代碼庫(kù)使其在與其他流程的比較中顯得格格不入；而 ABCD–BIDS 由于額外的去噪和腦提取對(duì)齊步驟，以及在配準(zhǔn)方式上的獨(dú)特選擇，也導(dǎo)致了其與其他流程的差異。此外，一些看似微不足道的決策，如蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所（MNI）大腦模板的版本和分辨率選擇，以及全局信號(hào)回歸（GSR）的設(shè)置，都被發(fā)現(xiàn)對(duì)流程間的一致性有著至關(guān)重要的影響。當(dāng) GSR 設(shè)置在不同流程中不一致時(shí)，流程間一致性會(huì)顯著降低；而不同版本的 MNI 模板在匹配輸出分辨率時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生截然不同的結(jié)果，這充分說明了即使是在同一處理流程包內(nèi)，這些參數(shù)的微小調(diào)整都可能引發(fā)結(jié)果的巨大波動(dòng)。

這項(xiàng)研究成果的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過。在神經(jīng)科學(xué)的研究進(jìn)程中，尤其是在臨床轉(zhuǎn)化方面，可靠的腦成像數(shù)據(jù)是一切研究的基石。以往，由于我們對(duì)數(shù)據(jù)處理流程中的這些差異缺乏足夠的認(rèn)識(shí)和重視，許多研究可能在不知不覺中受到了這些差異的干擾，導(dǎo)致研究結(jié)果的可靠性大打折扣，可重復(fù)性也難以保證。這不僅使得我們?cè)谔剿鞔竽X奧秘的道路上走了許多彎路，也阻礙了一些潛在的臨床應(yīng)用從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H治療的進(jìn)程。而如今，這一研究成果如同一盞明燈，照亮了我們前行的道路，讓我們清晰地認(rèn)識(shí)到問題的所在，為后續(xù)的研究提供了寶貴的參考和警示，有望推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域朝著更加精準(zhǔn)、可靠和有效的方向大步邁進(jìn)。

專家們對(duì)這項(xiàng)研究成果也給予了極高的評(píng)價(jià)和認(rèn)可。一位在神經(jīng)影像學(xué)領(lǐng)域深耕多年的權(quán)威專家，激動(dòng)地表示：“這是一項(xiàng)具有劃時(shí)代意義的研究，它就像一把手術(shù)刀，精準(zhǔn)地剖析了靜息態(tài)功能腦成像中一直被我們忽視的數(shù)據(jù)處理流程差異問題。這一發(fā)現(xiàn)無疑為整個(gè)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域敲響了警鐘，讓我們重新審視自己的研究方法和數(shù)據(jù)處理流程。其研究成果將成為未來研究的重要指南，引領(lǐng)我們走向更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯康缆??！绷硪晃辉谠擃I(lǐng)域頗具影響力的學(xué)者，也對(duì)這項(xiàng)研究贊不絕口：“該研究不僅深入透徹地分析了問題的根源，還極具前瞻性地提出了一系列切實(shí)可行的改進(jìn)建議，這對(duì)于提升腦成像研究的質(zhì)量和可重復(fù)性具有不可估量的價(jià)值。它讓我們深刻地意識(shí)到，在追求科學(xué)真理的道路上，細(xì)節(jié)決定成敗，我們?cè)僖膊荒軐?duì)數(shù)據(jù)處理流程中的任何一個(gè)細(xì)微差異視而不見?！?/p>

展望未來，隨著技術(shù)的飛速發(fā)展和研究的不斷深入，我們有充分的理由相信，這些問題終將被逐一攻克。新的技術(shù)手段和研究方法將不斷涌現(xiàn)，幫助我們更好地理解和解決數(shù)據(jù)處理流程中的變異問題，從而為我們更深入、更準(zhǔn)確地探索大腦的奧秘奠定更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這一研究成果也將像一顆火種，點(diǎn)燃更多科研人員對(duì)這一領(lǐng)域的探索熱情，激勵(lì)他們投身于相關(guān)研究，共同推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域邁向一個(gè)又一個(gè)新的高峰，為人類的健康和福祉做出更大的貢獻(xiàn)。讓我們共同期待那一天的早日到來，屆時(shí)，我們將能夠更加清晰、準(zhǔn)確地解讀大腦的語言，揭開大腦神秘的面紗，為神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展書寫更加輝煌的篇章。

參考文獻(xiàn)：在靜息態(tài)腦功能成像中超越因數(shù)據(jù)處理與分析所導(dǎo)致的變異｜思影科技 2025-1-3