Баги ставят под сомнение 20-летние исследования мозга в МРТ


В Уорикском университете (Англия) и университете Линчёпинга (Швеция) группа исследователей заявила о возможных недостоверных результатах МРТ. Учёные изучили мозг в состоянии покоя у 499 здоровых человек при помощи фМРТ.

Вследствие неправильного истолкования практически 70% результатов из 40 000 исследований мозга, проведённых за последние 20 лет, могут оказаться ложными. Причиной этому могут стать баги, найденные в программном обеспечении магнитно-резонансной томографии.

Отчет с таким выводом был размещен в международном научно-исследовательском журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 27 июня 2016 года.

Что такое фМРТ?

фМРТ — функциональная магнитно-резонансная томография. Это один из наиболее применимых и широко известных способов определять мозговую активность. Функциональная магнитно-резонансная томография используется в медицине более 25 лет.

Благодаря фМРТ можно визуализировать региональную (местную) мозговую активность засчёт изменений в уровне снабжения крови кислородом на основе свойств, концентраций оксигенированного (обогащённого кислородом) и дезоксигенированного (бедного кислородом) гемоглобина. Грубо говоря, в зависимости от активности головного мозга можно увидеть изменения в его кровообращении.

Чем больше в области мозга кровь насыщена кислородом, тем выше контрастность изображения (BOLD — blood oxygenation level dependent contrast), уровень МРТ сигнала увеличивается, на экране монитора видно местную мозговую активность. Кровь, бедная кислородом, наоборот ведёт к падению уровня сигнала МРТ.

Во время исследования пациент выполняет определённые задания (представляет визуальные изображения, реагирует на звуковые сигналы нажатием кнопки и т.д). Изображения показывают какие участки мозга при этом активированы (куда кровь поступает больше, куда меньше).
Функциональная магнитно-резонансная томография дает возможность измерить изменения в токе крови, вызванные нейронной активностью.

Рис. 1. Схема реакции мозгового кровотока в ответ на возбуждение нейронов.

Рис. 1. Схема реакции мозгового кровотока в ответ на возбуждение нейронов.

фМРТ очень чувствительна к изменениям в движении крови, кровообращении (например, хорошо диагностирует ишемию (уменьшение кровоснабжения органа или ткани) при инсульте). Кроме того, за последние десятилетия фМРТ помогла ученым лучше понять, как создаются и работают воспоминания и речь, как человек чувствует боль и эмоции.

фМРТ можно использовать в исследовании пациентов, больных эпилепсией, до операции. Предоперационное фМРТ обследование показано в том случае, когда морфологическая картина болезни неясна, а неврологическая картина говорит о повреждении моторной и соматосенсорной областей (функций) коры головного мозга. С помощью фМРТ можно определить фокус эпилептической активности пациента, а также избежать послеоперационных осложнений (например, возникновения дефицита в развитии речи).

Техническая сторона вопроса

Чтобы подвергнуть анализу течение крови, мозг исследуемого делится на воксели — небольшие трехмерные частицы. Изображение разбивается программой на трёхмерные фрагменты. После этого, воксели объединяются в кластеры, коррелирующие между собой (метод корреляции в пространстве). Именно кластеры частиц и анализируются приборами, и точность итогов анализа сейчас находится под сомнением.

Рис. 2. Аксиальный срез головного мозга. Изображение фМРТ с жёлтыми кластерами, в которых «отмечена повышенная активность».

Рис. 2. Аксиальный срез головного мозга. Изображение фМРТ с жёлтыми кластерами, в которых «отмечена повышенная активность».

При довольно точном заключении по вокселям (минимальным трехмерным единицам) алгоритмы дают неправильную интерпретацию кластеров — как выяснилось, функции пространственной автокорреляции не соответствуют ожидаемой форме гауссианы — нормальному распределению величин без сильных отклонений в технических измерениях (графика плотности вероятности параметра). Таким образом, примерно 40 000 научных работ, опубликованных в последние десятилетия на основе данных фМРТ, поставлены под сомнение.

Как проводилось исследование?

Было сформировано несколько групп, где находилось по 20 человек, а результаты обследования были сопоставлены по 192 вероятным комбинациям. По ходу исследования сравнивались данные фМРТ в состоянии покоя 499 здоровых пациентов из контрольной группы для получения 3 миллионов томограмм, которые, в свою очередь, сравнивали между собой в случайном порядке.

Рис. 3. МРТ аппарат.

Рис. 3. Siemens МРТ аппарат.

Что же так насторожило учёных?

Статистические методы — это основа интерпретации результатов фМРТ. До сих пор наиболее часто используемые статистические методы, которые применяются в программном обеспечении МРТ, не были подтверждены на реальных данных.

В течение нескольких десятилетий врачи использовали для анализа данных фМРТ статистические программы AFNI, SPM и FSL. При проверке работы алгоритмов этих программ выяснилось, что они могут возвращать до 70% ложноположительных результатов вместо предполагаемых 5% (максимально допустимых). Учёные сделали вывод, что параметрические статистические методы, которые используются в популярных программных пакетах SPM, FSL и AFNI, фактически непригодны для кластерного анализа результатов фМРТ, поскольку результаты не соответствуют нормальному распределению.

Будущее фМРТ

На данный момент некорректная работа алгоритмов в программном обеспечении выливается в высокий уровень неверных результатов проводимых исследований. Так что если Вы встретите очередное исследование с результатами фМРТ, следует с осторожностью принимать эти результаты.

Новая оценка валидности может оказать сильное влияние на интерпретацию результатов нейровизуализации (визуализации структуры, функций, биохимических характеристик мозга). Для решения данной проблемы учёные предлагают в алгоритмах использовать непараметрические модели (со структурой, выстраивающейся на основании используемых данных, но не заданной заранее), чтобы поднять точность результатов.

см. Оригинал статьи из журнала «Proceedings of the National Academy of Sciences» (PNAS)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *