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Wie man Gehirnscans nicht in der Neurowissenschaft verwendet

Zusammenfassung: Während Neuroimaging ein Standard in der neurowissenschaftlichen und psychologischen Forschung sein kann, sagt eine neue Studie, dass Forscher massiv unterschätzen, wie groß die Studienstichprobe sein muss, damit eine Neuroimaging-Studie zuverlässige Ergebnisse liefert.

Quelle: Universität Pittsburgh

Was braucht es, um einen Menschen zu kennen?

Wenn Sie gesehen haben, wie sich ein Freund in verschiedenen Bereichen seines Lebens verhält, können Sie vernünftigerweise sagen, dass Sie wissen, wer er ist. Vergleichen Sie das damit, sich ein Interview mit einer Berühmtheit anzusehen – vielleicht können Sie etwas über sie wissen, aber eine einzige Beobachtung eines Fremden kann Ihnen nur so viel sagen.

Doch eine ähnliche Idee – dass ein einsamer Schnappschuss eines Gehirns Aufschluss über die Persönlichkeit oder psychische Gesundheit einer Person geben kann – war die Grundlage jahrzehntelanger neurowissenschaftlicher Studien.

Dieser Ansatz wurde durch ein Papier in punktiert Natur Anfang dieses Jahres, was zeigt, dass Wissenschaftler massiv unterschätzt haben, wie umfangreich solche Studien sein müssen, um zuverlässige Ergebnisse zu liefern.

„Je mehr wir darüber erfahren, wer wir als Menschen sind, desto mehr lernen wir, dass wir uns im Durchschnitt viel ähnlicher als unterschiedlich sind – und daher ist es wirklich schwierig, diese Unterschiede zu verstehen“, sagte Brenden Tervo-Clemmens (A&S’ 21G), jetzt Postdoktorand am Massachusetts General Hospital und an der Harvard Medical School, der als Doktorand in klinischer Psychologie in Pitt die multiinstitutionelle Forschung mitleitete.

Im Zentrum der Forschung stehen MRT-Untersuchungen des Gehirns (Magnetresonanztomographie). Während sie für die Diagnose von Gehirnerkrankungen von unschätzbarem Wert sind, wurden sie auch von Forschern verwendet, um Verbindungen zwischen der Gehirnstruktur einer Person und Aspekten ihrer Persönlichkeit und psychischen Gesundheit herzustellen.

Tervo-Clemmens und seine Kollegen nennen diese Technik Brain-Wide Association Scans oder BWAS, in Anlehnung an „GWAS“-Studien, die versuchen, die oft winzigen Auswirkungen von Genen aus riesigen Datensätzen zu entschlüsseln (wie in zweifelhaften wissenschaftlichen Schlagzeilen zu sehen ist, in denen „a Gen für Depression“ oder „ein Gen für Intelligenz“).

“Der Ansatz ist ähnlich: Hier ist ein Profil von Ihnen biologisch, wie gut können wir die Komplexität Ihrer menschlichen Erfahrung bestimmen?” sagte Tervo-Clemmens. „Und die Antwort ist, normalerweise nicht sehr gut.“

Eine typische Studie dieser Art würde etwa 25 Teilnehmer umfassen, was zum Teil auf die hohen Kosten für die Durchführung von Scans zurückzuführen ist. Aber Tervo-Clemmens und seine Kollegen zeigten, dass Wissenschaftler die Gehirne von mehr als 1.000 Menschen scannen müssten, um sicher zu sein, dass die Verbindungen, die sie finden, nicht nur eine statistische Fata Morgana sind.

Um zu dieser Schlussfolgerung zu gelangen, musste man sich einen viel breiteren Überblick über das Gebiet verschaffen, als dies bis vor kurzem möglich war. Zusammen mit Kollegen an einer Reihe von Institutionen sowie seiner Beraterin, Pitt-Professorin für Psychiatrie Beatriz Luna, kombinierte Tervo-Clemmens drei neuere öffentlich zugängliche Studien, die zusammen MRT-Daten von rund 50.000 Teilnehmern enthielten.

Anhand dieser enormen Menge an Informationen simulierte das Team den wissenschaftlichen Prozess und wählte nach dem Zufallsprinzip Gruppen von Scans aus, als wären sie Patienten, die für eine Studie rekrutiert wurden. Indem sie diesen Vorgang immer wieder wiederholten, konnten die Forscher herausfinden, wie wahrscheinlich es ist, dass eine bestimmte Anzahl von Scans einfach durch Zufall ein irreführendes Ergebnis liefert – und wie viele Teilnehmer es braucht, damit eine Studie zuverlässig ist.

Nicht jede Untersuchung erfordert 1.000 Gehirnscans, zeigten sie. „Wenn es nur darum geht, so etwas wie die allgemeine Organisation des Gehirns zu verstehen, brauchen wir dafür manchmal nur 10 bis 20 Teilnehmer“, sagt Tervo-Clemmens. Nur weil ein einziger Gehirnscan so wenig über die Persönlichkeit und psychische Gesundheit einer Person aussagt, benötigen Forscher eine riesige Datenmenge, bevor sich diese komplexen Merkmale zuverlässig aus dem statistischen Rauschen herausheben.

Die Verstärkung dieses Problems ist ein bekannter Fehler in der Wissenschaft des 21. Jahrhunderts: Forscher werden oft dafür belohnt, dass sie Ergebnisse veröffentlichen, die aufregende neue Verbindungen zeigen, anstatt weniger glamouröse Ergebnisse, die auf das Fehlen einer Verbindung hindeuten.

Die letztgenannten Ergebnisse werden weniger wahrscheinlich veröffentlicht und eher auf einer Festplatte vor sich hin schmoren. Es ist also nicht nur wahrscheinlicher, dass kleine Bildgebungsstudien einen Zusammenhang „entdecken“, der eigentlich nicht vorhanden ist, sondern dieselben irreführenden Studien erhalten auch unverhältnismäßig viel Aufmerksamkeit.

Tervo-Clemmens stellt schnell fest, dass das Nature-Papier nicht dazu gedacht war, das gesamte Feld anzusprechen. Neurowissenschaftler und Psychologen haben Fragen zur Persönlichkeit und psychischen Gesundheit mit einer Vielzahl anderer Techniken erfolgreich angegangen. Und Gehirnscans allein sind sehr effektiv, um Erkrankungen zu diagnostizieren und ein umfassenderes Bild der Funktionsweise des Gehirns zu zeichnen. Wenn Wissenschaftler beides kombinieren und die Komplexität einer Person auf ein einziges Bild reduzieren, greifen sie zu kurz.

„Wir können die Anzahl dieser Studien, die einer genauen Prüfung standgehalten haben und die Behandlung wirklich vorantreiben, auf weniger als eine Hand zählen“, sagte er. „In meiner eigenen Gegend könnte eine Studie zeigen, dass eine erhöhte Funktion einer bestimmten Gehirnregion mit mehr Symptomen zusammenhängt, aber Sie können fast ohne Frage eine andere Studie finden, die den gegenteiligen Effekt zeigt.“

Eine typische Studie dieser Art würde etwa 25 Teilnehmer umfassen, was zum Teil auf die hohen Kosten für die Durchführung von Scans zurückzuführen ist. Das Bild ist gemeinfrei

Obwohl er sich heute hauptsächlich auf psychiatrische und substanzbedingte Störungen bei Jugendlichen konzentriert, passt Tervo-Clemmens als Forscher in keine Schublade. „Ich bin eine Art Psychologe, und ich bin eine Art Statistiker, und ich bin eine Art Neurowissenschaftler“, sagte er. Es ist diese Perspektive, erklärt er, die ihm hilft, die Art von umfassender kritischer Forschung wie dieser aktuellen Studie zu betreiben, zusammen mit seiner grenzüberschreitenden Ausbildung bei Pitt.

Er sah Patienten als Doktorand in klinischer Psychologie und trainierte gleichzeitig in interdisziplinären Programmen wie dem Center for the Neural Basis of Cognition, Erfahrungen, die er als ermutigende Breite in der Forschung bezeichnet. „Ich denke, dieses Maß an Integration macht Pitt als Doktoranden so großartig“, sagte er.

Das Ergebnis war eine Studie, die bereits bei anderen Wissenschaftlern für Aufsehen gesorgt hat. Das Papier und seine Vorveröffentlichungsversion sind ein sofortiger Klassiker und wurden bereits von mehr als 250 anderen wissenschaftlichen Arbeiten zitiert.

Also, wo verlässt das das Feld?

Erstens, sagte Tervo-Clemmens, ist es notwendig, die kleineren Studien der Vergangenheit erneut zu untersuchen, um zu sehen, ob ihre Ergebnisse einer weiteren Prüfung standhalten. Für die zukünftige Forschung bestünde eine Lösung darin, Gehirn-Scan-Studien zu komplexem Verhalten einfach zu überdimensionieren, damit sie einer statistischen Überprüfung standhalten. Aber es gibt noch einen anderen möglichen Weg nach vorne, bei dem Forscher Wege finden, Patienten im Laufe der Zeit und über Kontexte hinweg zu untersuchen, um ein umfassenderes Gefühl für ihre Identität zu bekommen.

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„Wir müssen unsere Forschung daran ausrichten, wie wir Menschen generell denken und verstehen“, sagt Tervo-Clemmens. „Das ist eine Herausforderung hinsichtlich Kosten und Wirtschaftlichkeit. Aber ich denke auch, dass es sich letztendlich lohnen wird.“

Es ist wie Wachstumsschmerzen für eine erst wenige Jahrzehnte alte Forschungsrichtung: Anstrengend und voller Ungewissheit, aber auch ein Zeichen dafür, dass sich das Feld in neue und spannende Richtungen bewegt.

Über diese Neuigkeiten aus der Neuroimaging- und Neurowissenschaftsforschung

Autor: Nikolaus Frankreich
Quelle: Universität Pittsburgh
Kontakt: Nicholas France – Universität Pittsburgh
Bild: Das Bild ist gemeinfrei

Originalforschung: Uneingeschränkter Zugang.
Reproduzierbare gehirnweite Assoziationsstudien erfordern Tausende von Personen“ von Brenden Tervo-Clemmens et al. Natur


Abstrakt

Reproduzierbare gehirnweite Assoziationsstudien erfordern Tausende von Personen

Die Magnetresonanztomographie (MRT) hat unser Verständnis des menschlichen Gehirns durch eine gut replizierte Zuordnung von Fähigkeiten zu bestimmten Strukturen (z. B. Läsionsstudien) und Funktionen (z. B. aufgabenfunktionelle MRT (fMRI)) verändert. Die Forschung und Pflege der psychischen Gesundheit muss noch ähnliche Fortschritte aus der MRT erzielen.

Eine primäre Herausforderung war die Replikation von Assoziationen zwischen interindividuellen Unterschieden in der Gehirnstruktur oder -funktion und komplexen Phänotypen der kognitiven oder psychischen Gesundheit (brain-wide association studies (BWAS)). Solche BWAS haben sich in der Regel auf Stichprobengrößen verlassen, die für die klassische Gehirnkartierung geeignet sind (die mittlere Stichprobengröße der Neuroimaging-Studie beträgt etwa 25), aber möglicherweise zu klein, um reproduzierbare Gehirn-Verhaltensphänotyp-Assoziationen zu erfassen.

Hier haben wir drei der größten derzeit verfügbaren Neuroimaging-Datensätze – mit einer Gesamtstichprobengröße von etwa 50.000 Personen – verwendet, um BWAS-Effektgrößen und Reproduzierbarkeit als Funktion der Stichprobengröße zu quantifizieren. BWAS-Assoziationen waren kleiner als bisher angenommen, was zu statistisch zu schwachen Studien, überhöhten Effektstärken und Replikationsfehlern bei typischen Stichprobenumfängen führte.

Als die Stichprobengrößen in die Tausende wuchsen, begannen sich die Replikationsraten zu verbessern und die Effektgrößeninflation ging zurück. Robustere BWAS-Effekte wurden für funktionelle MRT (im Vergleich zu strukturellen), kognitiven Tests (im Vergleich zu Fragebögen zur psychischen Gesundheit) und multivariaten Methoden (im Vergleich zu univariaten) festgestellt. Kleiner als erwartete Gehirn-Phänotyp-Assoziationen und Variabilität zwischen Bevölkerungsunterstichproben können weit verbreitete BWAS-Replikationsfehler erklären.

Im Gegensatz zu Nicht-BWAS-Ansätzen mit größeren Auswirkungen (z. B. Läsionen, Eingriffe und innerhalb einer Person) erfordert die BWAS-Reproduzierbarkeit Proben mit Tausenden von Individuen.

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