在神經(jīng)科學(xué)中，識(shí)別疾病風(fēng)險(xiǎn)的腦生物標(biāo)記物日益重要。識(shí)別有意義的生物標(biāo)記物的能力受到測(cè)量可靠性的限制;不可靠的測(cè)量方法不適用于預(yù)測(cè)臨床結(jié)果。利用任務(wù)態(tài)功能磁共振成像(task fMRI)測(cè)量大腦活動(dòng)是開(kāi)發(fā)生物標(biāo)記物的一個(gè)主要手段；然而，對(duì)于任務(wù)態(tài)fMRI的可靠性還沒(méi)有得到系統(tǒng)的評(píng)估。本文作者提出了一致的證據(jù)，證明任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量的可靠性較差。首先，對(duì)90個(gè)實(shí)驗(yàn)(N = 1008)的元分析顯示總體可靠性較差——平均組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC) = 0 .397。其次，在人類連接組項(xiàng)目(HCP，N = 45)和達(dá)尼丁研究(Dunedin study, N = 20)收集的11個(gè)常見(jiàn)fMRI任務(wù)中，感興趣的先驗(yàn)?zāi)X區(qū)活動(dòng)的重測(cè)可靠性很差(ICCs = 0.067 - 0.485)?？偟膩?lái)說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)表明，目前普遍的任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量并不適合于尋求大腦生物標(biāo)記物或個(gè)體差異的研究。作者回顧了這一現(xiàn)狀產(chǎn)生的原因，并指出提高任務(wù)態(tài)fMRI可靠性的途徑。本文發(fā)表在Psychological
Science雜志。(可添加微信號(hào)siyingyxf或18983979082獲取原文，另思影提供免費(fèi)文獻(xiàn)下載服務(wù)，如需要也可添加此微信號(hào)入群，原文也會(huì)在群里發(fā)布)。
1前言
自從1992年引進(jìn)功能核磁共振成像(fMRI)，科學(xué)家們可以無(wú)創(chuàng)地觀察人類大腦活動(dòng)。在傳統(tǒng)的fMRI中，可以通過(guò)測(cè)量血氧水平依賴(BOLD)信號(hào)來(lái)估計(jì)大腦區(qū)域的活動(dòng)，該信號(hào)反應(yīng)了與神經(jīng)活動(dòng)相關(guān)的血氧變化。在BOLD fMRI最常見(jiàn)的一種形式中，研究人員通過(guò)對(duì)比控制條件下的BOLD信號(hào)和感興趣條件下的BOLD信號(hào)來(lái)得到與特定認(rèn)知功能相關(guān)的活動(dòng)。通過(guò)這種方式，任務(wù)態(tài)fMRI使神經(jīng)科學(xué)家對(duì)人類行為的大腦機(jī)制—從基本的知覺(jué)到復(fù)雜的思維有獨(dú)特的見(jiàn)解，并使臨床醫(yī)生和心理健康研究人員得以直接測(cè)量與疾病有關(guān)的器質(zhì)性功能障礙。
最初，任務(wù)態(tài)fMRI主要用于研究人腦支持的一般功能。研究人員可以測(cè)量被試在任務(wù)條件和控制條件下的激活差異，再將個(gè)體間的差異進(jìn)行平均則可以得到群體效應(yīng)。因此，fMRI任務(wù)可以優(yōu)化在對(duì)比特定實(shí)驗(yàn)條件時(shí)感興趣區(qū)域（ROI）或回路中引起的穩(wěn)健的激活。例如，當(dāng)人們對(duì)比情緒面孔與幾何形狀時(shí)，可以觀察到杏仁核活動(dòng)的增加;對(duì)比人們贏錢(qián)和輸錢(qián)時(shí)，可以觀察到腹側(cè)紋狀體活動(dòng)的增加。通過(guò)使用這種被試內(nèi)方法所引起的穩(wěn)健的大腦活動(dòng)，研究人員可以用相同的fMRI任務(wù)來(lái)研究被試間的差異。其背后的邏輯很簡(jiǎn)單：如果一個(gè)大腦區(qū)域在執(zhí)行任務(wù)時(shí)被激活，那么該區(qū)域個(gè)體激活程度的差異可能會(huì)導(dǎo)致個(gè)體行為的差異，以及任何相關(guān)的疾病風(fēng)險(xiǎn)。因此，如果人們?cè)诳吹酵{刺激時(shí)激活杏仁核，那么人與人之間杏仁核激活程度的差異則標(biāo)志著他們?cè)谕{敏感性和相關(guān)臨床現(xiàn)象方面的差異（比如焦慮和抑郁）。就這樣，fMRI從研究大腦如何工作的工具轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯總€(gè)體大腦任何不同的工具。
使用任務(wù)態(tài)fMRI來(lái)研究人與人之間的差異預(yù)示著它可能成為發(fā)現(xiàn)大腦疾病生物標(biāo)記物的強(qiáng)大工具。廣義上來(lái)說(shuō)，生物標(biāo)記物是一種生物學(xué)指標(biāo)，通常用于風(fēng)險(xiǎn)分層、診斷、預(yù)后和評(píng)價(jià)治療效果。然而，作為一種有用的生物標(biāo)記物，這個(gè)指標(biāo)首先必須是可靠的?？煽啃允侵敢环N測(cè)量在類似情況下給出一致結(jié)果的能力，它限制了任何測(cè)量的預(yù)測(cè)效用、效力和有效性（圖1）。因此，可靠性對(duì)于臨床應(yīng)用和研究實(shí)踐至關(guān)重要?？煽啃缘偷臏y(cè)量方法不適合作為生物標(biāo)記物，也不能預(yù)測(cè)臨床健康結(jié)果。也就是說(shuō)，如果臨床醫(yī)生要用一種測(cè)量方法來(lái)預(yù)測(cè)病人未來(lái)患病的可能性，那么病人就不能在一次評(píng)估中隨機(jī)獲得高分，而在下一次評(píng)估中隨機(jī)獲得低分。
為了具有臨床相關(guān)性的個(gè)體差異研究的發(fā)展，必須建立可靠的大腦測(cè)量方法。對(duì)于任務(wù)態(tài)fMRI的可靠性，個(gè)別研究的變異性太高，通常包含小的重測(cè)樣本和各種各樣的分析方法。此外，對(duì)于相同任務(wù)的可靠性，這些研究者得出的結(jié)論可能是相互矛盾的。這使得任務(wù)態(tài)fMRI的總體可靠性，以及許多常用的fMRI任務(wù)的可靠性在很大程度上是未知的。需要對(duì)任務(wù)態(tài)fMRI的可靠性進(jìn)行最新的、全面的回顧和元分析，并對(duì)最廣泛使用的任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量的可靠性進(jìn)行深入檢查。本文作者通過(guò)使用兩種證據(jù)揭示了常用的任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量的可靠性很差。首先是對(duì)任務(wù)態(tài)fMRI區(qū)域激活的重測(cè)可靠性進(jìn)行了元分析。其次，在最近收集的兩組數(shù)據(jù)中（HCP和Dunedin研究），分析了在幾個(gè)常用的fMRI任務(wù)的先驗(yàn)ROI中大腦激活的重測(cè)可靠性。
圖1. 任務(wù)態(tài)fMRI重測(cè)可靠性樣本量的大小對(duì)檢測(cè)大腦與行為相關(guān)性80%檢驗(yàn)力的影響。曲線顯示了與行為或臨床表型相關(guān)的三個(gè)水平的可靠性。圖像采用R中的pwr.r.test函數(shù)繪制。r的值根據(jù)附錄中的衰減公式指定。ICC= intraclass correlation coefficient，組內(nèi)相關(guān)系數(shù)。
2方法
2.1 任務(wù)態(tài)fMRI可靠性的元分析
作者按照PRISMA指南進(jìn)行系統(tǒng)回顧和元分析，在谷歌學(xué)術(shù)上搜索了2019年4月1日或之前發(fā)表的包含任務(wù)態(tài)fMRI激活重測(cè)可靠性估計(jì)的英文同行評(píng)審文章。使用高級(jí)搜索查找包含所有“ICC”(即組內(nèi)相關(guān)系數(shù))、“fMRI”和“retest”以及至少一個(gè)術(shù)語(yǔ)“ROI”、“ROIs”、“region
of interest”或“regions of interest”的文章。共檢索得到1170篇文章。
2.1.1篩選研究和數(shù)據(jù)提取
在審查全文之前先篩選所有的標(biāo)題和摘要。納入了所有報(bào)告BOLD fMRI任務(wù)激活的重測(cè)可靠性估計(jì)的實(shí)證文章。文章中正文和補(bǔ)充材料里報(bào)告的所有ICCs都被納入。如果ICCs僅用圖形(如柱狀圖)來(lái)描述，作者將根據(jù)圖形判斷其值。僅在腦圖上描繪的體素ICCs不包括在內(nèi)。對(duì)于基于2個(gè)以上時(shí)間點(diǎn)計(jì)算的ICC，本文使用間隔的平均值作為間隔值(例如，對(duì)于基于3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的ICC，使用時(shí)間點(diǎn)1和2之間的時(shí)間平均值和時(shí)間點(diǎn)2和3之間的時(shí)間平均值)。對(duì)于那些除了對(duì)相同數(shù)據(jù)的主要分析(例如使用不同的建模策略或排除某些個(gè)體)之外還報(bào)告了敏感性分析中的ICCs的文章，本文只納入主要分析中的ICCs。而來(lái)自組合任務(wù)的ICCs,旨在評(píng)估縱向變化的研究或干預(yù)研究中的ICCs，以及在文中沒(méi)有報(bào)告ICCs的測(cè)量是來(lái)自于同一MRI掃描或同一個(gè)任務(wù)的，或者報(bào)告的ICCs是基于其他個(gè)體間的激活測(cè)量（比如個(gè)體內(nèi)的空間范圍激活或多體素模式激活），這些ICCs都不會(huì)被納入后續(xù)的分析。
另外，作者還提取了關(guān)于樣本特征(出版年份、樣本量、健康vs.臨床)、研究設(shè)計(jì)(重測(cè)間隔、事件相關(guān)vs.組塊、任務(wù)長(zhǎng)度和任務(wù)類型)和ICC報(bào)告(閾值vs.未閾值)的數(shù)據(jù)。當(dāng)研究計(jì)算多個(gè)ICCs，但只報(bào)告超過(guò)最小閾值的值時(shí)，就會(huì)發(fā)生閾值化。對(duì)于每一篇文章，每一個(gè)符合上述納入要求的ICC都被記錄下來(lái)。
2.1.2統(tǒng)計(jì)分析
納入的大多數(shù)研究沒(méi)有報(bào)告ICC的標(biāo)準(zhǔn)誤差或置信區(qū)間(CI)。因此，為了在meta分析中包含盡可能多的估計(jì)值，對(duì)所有的ICC值使用Fisher r-to-Z轉(zhuǎn)換來(lái)估計(jì)所有ICC的標(biāo)準(zhǔn)誤差。
使用R的metafor包中的工具擬合隨機(jī)效應(yīng)多層元分析模型。在這個(gè)模型中，ICCs和標(biāo)準(zhǔn)誤差在每個(gè)唯一的樣本、任務(wù)中進(jìn)行平均，重測(cè)間隔（或子研究）在每篇文章或研究中進(jìn)行平均。對(duì)于本文報(bào)告的結(jié)果，為了確保每個(gè)子研究的元分析權(quán)重僅基于樣本量而不是報(bào)告的ICCs數(shù)量，本文假設(shè)每個(gè)子研究中ICCs之間的相關(guān)性為1。敏感性分析顯示，該假設(shè)對(duì)總體結(jié)果的影響非常小(見(jiàn)原文補(bǔ)充材料圖S2)。在元分析模型中，將子研究嵌套在研究中，以解釋同一研究中估計(jì)的ICCs的非獨(dú)立性。對(duì)那些報(bào)告閾值化ICC值的子研究進(jìn)行單獨(dú)的元分析，因?yàn)橹粓?bào)告有統(tǒng)計(jì)意義的ICC值會(huì)夸大效應(yīng)量。
為了探究調(diào)節(jié)變量的影響，本文對(duì)所有的1146個(gè)ICC擬合了一個(gè)單獨(dú)的隨機(jī)效應(yīng)多層模型(因?yàn)樵S多子研究都報(bào)告了與一個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)變量有關(guān)的ICC值，但又沒(méi)有在同一個(gè)子研究中將這些不同的值進(jìn)行平均)。調(diào)節(jié)變量包括任務(wù)長(zhǎng)度、任務(wù)設(shè)計(jì)(block vs.事件相關(guān))、任務(wù)類型(例如，情緒vs.執(zhí)行控制vs.獎(jiǎng)勵(lì))、ROI類型(例如，結(jié)構(gòu)或功能)、ROI位置(皮層vs.皮層下)、樣本類型(健康vs.臨床)、重測(cè)間隔、每年被引用次數(shù)，以及ICCs是否按顯著性設(shè)定閾值。所有調(diào)節(jié)變量同時(shí)作為隨機(jī)效應(yīng)輸入模型。在多水平模型中，ICCs嵌套在子研究中，子研究又嵌套在研究中。這樣做是為了解釋在同一個(gè)子研究中估計(jì)的ICCs的非獨(dú)立性，以及在同一研究中進(jìn)行的子研究的非獨(dú)立性。
2.2新數(shù)據(jù)集的分析
2.2.1人類連接組計(jì)劃(HCP)
HCP是一個(gè)公開(kāi)的數(shù)據(jù)集，包括1,206名參與者，具有大量的結(jié)構(gòu)像和功能像。此外，45名被試參與了兩次完整的掃描 (掃描的平均間隔約為140天)。所有被試都沒(méi)有精神或神經(jīng)疾病，年齡在25到35歲之間。
HCP中使用的七個(gè)任務(wù)旨在識(shí)別與大腦功能相關(guān)的節(jié)點(diǎn)。這些任務(wù)包括：
n-back工作記憶/執(zhí)行功能任務(wù)(針對(duì)背外側(cè)前額葉皮層-dlPFC);
賭博-獎(jiǎng)勵(lì)/激勵(lì)處理任務(wù)(針對(duì)腹側(cè)紋狀體);
由腳、手和舌頭的運(yùn)動(dòng)組成的運(yùn)動(dòng)定位任務(wù)(針對(duì)運(yùn)動(dòng)皮層);
聽(tīng)覺(jué)語(yǔ)言任務(wù)(針對(duì)前顳葉);
社會(huì)認(rèn)知/心理理論任務(wù)(針對(duì)側(cè)梭狀回、顳上溝和其他社交網(wǎng)絡(luò)區(qū)域)；
關(guān)系處理/維度變化檢測(cè)任務(wù)(針對(duì)嘴外側(cè)前額葉皮層-rlPFC);
面部匹配的情緒處理任務(wù)(針對(duì)杏仁核)。
2.2.2達(dá)尼丁多學(xué)科健康和發(fā)展研究
達(dá)尼丁研究（Dunedin Study）是對(duì)1972年4月至1973年3月在新西蘭達(dá)尼丁出生的1037個(gè)完整出生隊(duì)列的健康和行為的縱向調(diào)查(符合條件的新生兒占91%，52% 為男性)，隨訪至45歲。2016年8月至2019年4月期間收集了結(jié)構(gòu)和功能神經(jīng)成像數(shù)據(jù)，參與者年齡為45歲。此外，20名參與者完成了兩次完整的掃描(掃描平均間隔為79天)。
本文收集了四個(gè)任務(wù)的功能磁共振成像，這些任務(wù)的目標(biāo)是四個(gè)不同領(lǐng)域的神經(jīng)中樞:一個(gè)面孔匹配情緒處理任務(wù)(針對(duì)杏仁核)，一個(gè)Stroop執(zhí)行功能任務(wù)(針對(duì)dlPFC和背側(cè)前扣帶皮層)，一個(gè)貨幣激勵(lì)延遲獎(jiǎng)勵(lì)任務(wù)(針對(duì)腹側(cè)紋狀體)，和一個(gè)面孔名稱編碼情景記憶任務(wù)(針對(duì)海馬體)。
2.2.3定義ROI
使用兩種常見(jiàn)方法提取大腦區(qū)域活動(dòng)的個(gè)體估計(jì)。首先，從解剖定義的先驗(yàn)區(qū)域提取平均值。確定每個(gè)任務(wù)的主要ROI，并提取相應(yīng)的雙側(cè)解剖mask內(nèi)所有體素的平均BOLD信號(hào)變化。
接著，使用了基于組水平激活的功能定義區(qū)域。在每個(gè)任務(wù)下，以其解剖ROI 內(nèi)的峰激活體素為中心繪制5mm球體作為功能ROI。這是一種常用的方法，用于捕捉每個(gè)被試的峰激活位置（盡管激活的具體位置在不同被試間存在差異）。
2.2.4可靠性分析
提取每個(gè)任務(wù)、每個(gè)ROI和每次掃描會(huì)話（session）的個(gè)體水平BOLD信號(hào)變化估計(jì)。采用兩因素混合效應(yīng)ICC對(duì)可靠性進(jìn)行量化，其中掃描會(huì)話建模為固定效應(yīng)，被試建模為隨機(jī)效應(yīng)，重測(cè)間隔作為不感興趣的效應(yīng)。這種混合效應(yīng)模型稱為ICC (3,1)，ICC(3,1)=（BMS-EMS）/(BMS+(k-1)*EMS)，其中BMS表示被試間均方，EMS表示誤差均方，k是評(píng)分者或掃描會(huì)話的數(shù)量(在本文中為2)。ICC(3,1)追蹤的是各階段之間測(cè)量結(jié)果的一致性，而不是絕對(duì)一致性。由于隨著時(shí)間的推移可能對(duì)刺激習(xí)慣化，ICC(3,1)通常用于任務(wù)態(tài)fMRI重測(cè)可靠性的研究。
為了更廣泛地測(cè)試每個(gè)任務(wù)的可靠性，作者計(jì)算了11個(gè)任務(wù)的所有目標(biāo)ROI的ICC。因?yàn)樵?span>HCP和Dunedin的研究中，有三個(gè)任務(wù)(情感、獎(jiǎng)勵(lì)和執(zhí)行功能任務(wù))非常相似，并且針對(duì)相同的腦區(qū)，所以在這兩個(gè)研究中對(duì)這些任務(wù)使用了相同的ROI，因此總共對(duì)8個(gè)ROI進(jìn)行了可靠性評(píng)估。為了進(jìn)一步可視化可靠性的全局模式，我們還使用AFNI軟件中的3dICC_REML.R函數(shù)計(jì)算了ICC(3,1)的體素映射。最后，為了提供一個(gè)評(píng)估任務(wù)態(tài)fMRI可靠性的基準(zhǔn)，作者確定了結(jié)構(gòu)像常用的三種重測(cè)可靠性：皮質(zhì)厚度和360個(gè)分割或ROI各自的表面積，以及17個(gè)皮層下結(jié)構(gòu)的灰質(zhì)體積。
3結(jié)果
3.1任務(wù)態(tài)fMRI個(gè)體差異的可靠性:一項(xiàng)系統(tǒng)綜述和元分析
本文納入了56篇符合元分析標(biāo)準(zhǔn)的文章，從90個(gè)不同的子研究的1088個(gè)參與者中得出1146個(gè)ICC估計(jì)值，采用66種不同的任務(wù)態(tài)fMRI范式(Fig. 2)。 這些論文共被引2686次，平均每篇被引48次，每年每篇被引5.7次。在篩選文獻(xiàn)過(guò)程中，作者發(fā)現(xiàn)一些研究人員計(jì)算了許多不同的ICCs(跨越多個(gè)ROI、對(duì)比和任務(wù))，但只報(bào)告了在統(tǒng)計(jì)上顯著或者達(dá)到最小閾值的ICC，而這種做法會(huì)夸大可靠性估計(jì)。因此，作者還對(duì)無(wú)閾值化和閾值化的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了分析。
圖2. 系統(tǒng)文獻(xiàn)綜述及元分析流程圖
圖3顯示了來(lái)自77個(gè)報(bào)告無(wú)閾值化的子研究的重測(cè)可靠性系數(shù)(ICCs)(平均值N = 19.6，中位數(shù)N = 17)。56%的數(shù)值可靠性較差(低于0.4)，另外24%的數(shù)值可靠性尚可(0.4-0.6)，只有20%的可靠性達(dá)到良好或極好的范圍(0.75以上)。隨機(jī)效應(yīng)元分析顯示，平均ICC為0.397(95% CI =[.330–.460], p < .001)，處于較差的范圍。研究間存在異質(zhì)性(p = 0.04, I2 = 31.6)。
正如預(yù)期的那樣，對(duì)于13個(gè)有超過(guò)最低閾值的子研究（平均值N =24.2，中位數(shù)N =18）進(jìn)行元分析，結(jié)果顯示，ICC的值更高，為0.705(95% CI = [0.628–0.768], p < .001,I 2 = 17.9)。這個(gè)值是那些無(wú)閾值化研究ICCs估計(jì)值的1.78倍，可靠性良好，這表明進(jìn)行閾值化會(huì)夸大任務(wù)態(tài)fMRI的可靠性。沒(méi)有證據(jù)表明研究間存在異質(zhì)性(p = 0.54, I 2 = 17.9).。
所有亞研究的調(diào)節(jié)分析顯示，基于閾值ICC的研究的可靠性顯著更高，QM(1) = 6.531, p = 0.010， β = 0.140。此外，位于皮層的ROI的ICCs顯著高于皮層下的，QM(1) = 114.476, p <0.001， β = 0.259。然而，沒(méi)有證據(jù)表明元分析的估計(jì)受到任務(wù)類型、任務(wù)設(shè)計(jì)、任務(wù)長(zhǎng)度、重測(cè)間隔、ROI類型、樣本類型或每年被引用次數(shù)的調(diào)節(jié)。最后，使用Egger隨機(jī)效應(yīng)回歸檢驗(yàn)發(fā)表偏倚，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)有發(fā)表偏倚(Z = 0.707, p = 0.480).
元分析的結(jié)果雖然具有啟發(fā)性但解釋起來(lái)并不簡(jiǎn)單。首先，可靠性的估計(jì)來(lái)自大量的任務(wù)和樣本，因此單一的元分析可靠性估計(jì)可能會(huì)掩蓋真正可靠的任務(wù)態(tài)fMRI范式。其次，這些研究使用了不同的掃描儀(有些已經(jīng)過(guò)時(shí))和不同的預(yù)處理和分析管道，為了解決這些限制，作者進(jìn)一步分析了兩個(gè)新的數(shù)據(jù)集(這兩個(gè)數(shù)據(jù)集使用最先進(jìn)的掃描儀和分析手段)來(lái)評(píng)估常用的認(rèn)知和情感任務(wù)中的個(gè)體差異。
3.2 任務(wù)態(tài)fMRI中個(gè)體差異的可靠性:在兩個(gè)新的數(shù)據(jù)集中分析
本文評(píng)估了11個(gè)常用fMRI任務(wù)的先驗(yàn)ROI激活的重測(cè)可靠性(見(jiàn)方法部分)。在HCP中，45名參與者使用定制的3T掃描儀(西門(mén)子，慕尼黑，德國(guó))掃描了兩次，平均間隔140天(SD = 67.1天)，使用了七個(gè)任務(wù)，目標(biāo)是情感、獎(jiǎng)勵(lì)、執(zhí)行功能、運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言、社會(huì)認(rèn)知和關(guān)系處理。在Dunedin 研究中，20名參與者使用3T西門(mén)子Skyra掃描了兩次，平均間隔79天(SD = 10.3天)，使用了四個(gè)以情緒、獎(jiǎng)勵(lì)、執(zhí)行功能和情景記憶為目標(biāo)的任務(wù)。該樣本量與meta分析研究中使用的平均樣本量相對(duì)應(yīng)。在兩項(xiàng)研究中，有三個(gè)任務(wù)是相似的，允許我們測(cè)試任務(wù)態(tài)fMRI可靠性的可重復(fù)性。對(duì)于兩項(xiàng)研究中的其他8個(gè)任務(wù)，確定了每個(gè)任務(wù)的主要目標(biāo)區(qū)域，總共有8個(gè)先驗(yàn)ROI(參見(jiàn)方法部分)。
3.2.1 組水平激活
為了確保這11個(gè)任務(wù)被正確地實(shí)現(xiàn)和處理，我們對(duì)每個(gè)任務(wù)中感興趣的對(duì)比重新進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)果表明，每一個(gè)任務(wù)在目標(biāo)ROI上組水平的激活是穩(wěn)健的（三個(gè)共同的任務(wù)見(jiàn)圖4，其他任務(wù)見(jiàn)附錄圖S4）。
3.2.2 目標(biāo)區(qū)域激活的可靠性
作者用四個(gè)步驟研究了兩個(gè)數(shù)據(jù)集中任務(wù)激活的可靠性。首先，測(cè)試了每個(gè)任務(wù)在目標(biāo)ROI中激活的可靠性。其次，評(píng)估了每個(gè)任務(wù)在其他七個(gè)先驗(yàn)ROI中激活的可靠性。這樣做是為了測(cè)試目標(biāo)ROI的可靠性是否高于其他(非目標(biāo))大腦區(qū)域激活的可靠性，并確定任何具有持續(xù)高可靠性的任務(wù)或區(qū)域。第三，分別使用左腦和右腦的激活來(lái)重新評(píng)估可靠性，以測(cè)試對(duì)兩腦的平均是否會(huì)削弱對(duì)可靠性的估計(jì)。第四，測(cè)試了可靠性是取決于結(jié)構(gòu)上的ROI(使用解剖圖譜)還是功能上的ROI(使用基于峰值活動(dòng)位置的一組體素)。
3.2.3 HCP數(shù)據(jù)集中區(qū)域激活的可靠性。
首先，如圖5中黑色圈出的估計(jì)值所示，HCP中解剖定義的目標(biāo)ROI的激活在七個(gè)fMRI任務(wù)中具有較低的可靠性（平均 ICC = 0.251, 95% CI = [0.142–0.360])。只有語(yǔ)言處理任務(wù)的可靠性高于0.485。沒(méi)有任何的可靠性達(dá)到良好范圍(ICC>0.6)。第二，非目標(biāo)ROI中任務(wù)激活的可靠性也較低(圖5; 平均ICC = 0.239, 95% CI = [0.188–0.289])，但也并未低于目標(biāo)ROI的可靠性(p=0.474)。第三，從左、右ROI分別計(jì)算的任務(wù)激活可靠性與從平均ROI估算的可靠性相似(目標(biāo)ROI的左ICC平均值為0.207，非目標(biāo)ROI為0.196，目標(biāo)ROI的右ICC平均值為0.259，非目標(biāo)ROI為0.236)。第四，功能定義的ROI任務(wù)激活的可靠性也很低(平均ICC = 0.381, 95% CI =[0.317-0 .446])，只有運(yùn)動(dòng)任務(wù)和社會(huì)任務(wù)的ICCs大于0.4 (ICCs分別為.550和.446)。
另外，為了考慮HCP中存在的家庭結(jié)構(gòu)，在去掉測(cè)試樣本中的每個(gè)兄弟姐妹/雙胞胎對(duì)中的一個(gè)后，作者重新估計(jì)了可靠性。26個(gè)不相關(guān)個(gè)體的亞樣本中雙側(cè)解剖ROI的可靠性與整體樣本的可靠性非常相似（目標(biāo)ROI的平均ICC=0.301，非目標(biāo)ROI ICC =0.218）.
3.2.4 Dunedin研究中區(qū)域激活的可靠性
首先，如圖5中黑色圈出的估計(jì)值所示，在Dunedin研究中，四個(gè)任務(wù)中每個(gè)解剖定義目標(biāo)ROI的激活都具有較低的可靠性(平均ICC = .309, 95% CI =[0.145-0 .472])，沒(méi)有ICCs達(dá)到良好范圍(ICC >0.6)。其次，非目標(biāo)ROI中激活的可靠性也很低(圖5;平均ICC = 0.193, 95% CI =[0.100 -0.286])，但并不顯著低于目標(biāo)ROI的可靠性(p = 0.140)。第三，分別計(jì)算左、右半腦任務(wù)激活的可靠性，結(jié)果與平均ROI的可靠性相似(目標(biāo)ROI的左ICC均值為0.243，非目標(biāo)ROI為0.202;目標(biāo)ROI的右ICC均值為0.358，非目標(biāo)rROIoi為0.192)。第四，功能定義的ROI也并沒(méi)有顯著提高可靠性(平均ICC = 0.325, 95% CI =[0.197-0.453])。
3.2.5 結(jié)構(gòu)測(cè)量的可靠性
作者還調(diào)查了三種常用的結(jié)構(gòu)MRI測(cè)量的可靠性:皮層厚度、表面積和皮層下灰質(zhì)體積，以便為評(píng)估任務(wù)fMRI的重測(cè)可靠性提供基準(zhǔn)。與先前的研究證據(jù)一致，結(jié)構(gòu)MRI表型具有極好的可靠性(即ICCs>0.9)，本文結(jié)果表明，目前樣本中的全腦和區(qū)域結(jié)構(gòu)MRI測(cè)量有非常高的重測(cè)可靠性(圖5)。對(duì)于平均皮質(zhì)厚度，在HCP和Dunedin研究數(shù)據(jù)集中，ICCs分別為0.953和0.939。在HCP中，分區(qū)（parcel-wise）皮層厚度的可靠性平均值為0.886（range=0.547-0.964）, ICC高于“一般”閾值占100%，98.6%高于“良好”閾值，94.2%高于“極好”閾值。在Dunedin研究中，parcel-wise皮層厚度的可靠性平均值為0.846（range=0.385-0.975），99.7%的ICCs高于“一般”閾值，96.4%高于“良好”閾值，84.7%高于“極好”閾值。對(duì)于表面積，HCP和Dunedin數(shù)據(jù)集的ICCs分別為0.999和0.996。在HCP中，parcel-wise表面積的平均ICCs為0.937（range=0.526-0.992），ICC的值100%高于“一般”閾值，98.9%高于“良好”閾值，96.9%高于“極好”閾值。在Dunedin研究中，表面積的平均ICCs為0.942（range=0.572-0.991），ICC高于“一般”閾值占100%，99.7%高于“良好”閾值，98.1%高于“極好”閾值。對(duì)于皮層下灰質(zhì)體積，HCP的平均ICCs為0.903（range=0.791-0.984），所有的ICCs都高于“極好“閾值。在Dunedin研究中，ICCs的平均值為0.931（range=0.767-0.979）,也是所有的ICCs都高于“極好”閾值。
4 討論
本文的研究證據(jù)表明，常用的任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量不具有發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)記物或大腦行為映射所必需的重測(cè)可靠性。對(duì)任務(wù)態(tài)fMRI可靠性的元分析顯示，重測(cè)的平均可靠性系數(shù)為0.397，低于良好可靠性所需的最小值(ICC = 0.6)，遠(yuǎn)低于臨床應(yīng)用(ICC = 0.8)或個(gè)體水平解釋（ICC = 0.9）的推薦臨界值。不過(guò)，也并不是所有的任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量方法都是一樣的，也不可能對(duì)fMRI研究中收集的所有測(cè)量個(gè)體差異的方法產(chǎn)生一個(gè)單一的可靠性估計(jì)。然而，本研究的結(jié)果表明，任務(wù)類型、任務(wù)長(zhǎng)度或重測(cè)間隔對(duì)任務(wù)態(tài)fMRI的可靠性不具有顯著影響。
本文還評(píng)估了HCP和Dunedin 研究中11種常用的任務(wù)態(tài)fMRI的測(cè)量可靠性。與meta分析中包含的許多研究不同，這兩項(xiàng)研究是最近在現(xiàn)代掃描儀上完成的，使用了前沿的采集參數(shù)、最新的偽跡去除方法和最先進(jìn)的預(yù)處理管道。然而，平均的重測(cè)可靠性也很差（ICC=0.228）。在這些分析中，并未發(fā)現(xiàn)針對(duì)特定任務(wù)的目標(biāo)ROI的可靠性會(huì)比非目標(biāo)ROI更好（目標(biāo)ROI平均ICC為0.270，非目標(biāo)ROI為0.228），以及并未發(fā)現(xiàn)任何特定任務(wù)或目標(biāo)ROI能夠始終產(chǎn)生高的可靠性。有趣的是，這兩項(xiàng)研究的可靠性估計(jì)比元分析的估計(jì)要小得多(元分析ICC = 0.397)，可能是因?yàn)轭A(yù)注冊(cè)的分析通常比未預(yù)注冊(cè)的出版文章的分析產(chǎn)生更小的效應(yīng)量。
4.1 fMRI研究中的兩種方法
本文的研究結(jié)果可以追溯到Lee Cronbach在1957年發(fā)表的一篇經(jīng)典文章，他在文中描述了科學(xué)心理學(xué)的兩個(gè)方法。根據(jù)Cronbach的說(shuō)法，實(shí)驗(yàn)方法致力于通過(guò)實(shí)驗(yàn)控制和組平均來(lái)揭示人類普遍的特征和能力，而相關(guān)方法則致力于通過(guò)測(cè)量人與人之間的差異來(lái)解釋個(gè)體之間的差異。這兩種方法的一個(gè)基本區(qū)別是如何對(duì)待個(gè)體差異。對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究來(lái)說(shuō)，個(gè)體間的差異是一種誤差，必須將其最小化，才能檢測(cè)出最大的實(shí)驗(yàn)效應(yīng)。對(duì)于相關(guān)研究而言，個(gè)體間的差異是分析的主要單位，必須仔細(xì)測(cè)量，以提取可靠的個(gè)體差異。
目前的任務(wù)態(tài)fMRI范式很大程度上來(lái)自于實(shí)驗(yàn)方法。設(shè)計(jì)任務(wù)態(tài)fMRI范式來(lái)揭示人類大腦對(duì)刺激的一般反應(yīng)，同時(shí)最小化被試間的差異。能夠在群體水平上誘發(fā)穩(wěn)健的定向大腦活動(dòng)的范式，隨后被轉(zhuǎn)化為評(píng)估個(gè)體差異的工具。因此，被試內(nèi)的穩(wěn)健性經(jīng)常被不恰當(dāng)?shù)赜脕?lái)暗示被試間的可靠性，但是研究者們卻忽略了這樣一個(gè)事實(shí)，即不可靠的被試間測(cè)量也能在群體水平上產(chǎn)生可靠的被試內(nèi)實(shí)驗(yàn)效應(yīng)。
這一推理并不是任務(wù)態(tài)fMRI研究所獨(dú)有的。在被試內(nèi)部(即群體)產(chǎn)生強(qiáng)效應(yīng)的行為測(cè)量方法在被試間具有較低的信度，例如，Stroop測(cè)試的平均重測(cè)可靠性（ICC=0.45）與本文的任務(wù)態(tài)fMRI元分析的平均信度大小（ICC=0.397）是如此的相似。不過(guò)，MRI測(cè)量，甚至BOLD信號(hào)本身，也并非都是不可靠的。在我們的分析中，結(jié)構(gòu)MRI測(cè)量(見(jiàn)圖5)，以及從fMRI長(zhǎng)時(shí)掃描中估計(jì)的內(nèi)在功能連通性測(cè)量，都顯示了較高的重測(cè)可靠性。因此，問(wèn)題不在于工具本身，而在于所使用的策略（采用認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)所開(kāi)發(fā)的任務(wù)），這種策略對(duì)于可靠的測(cè)量人與人之間大腦激活的差異似乎不太適合。
4.2建議和未來(lái)的研究方向
在接下來(lái)的部分，作者提出了幾種方法來(lái)最大化實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有數(shù)據(jù)集的價(jià)值，并進(jìn)一步提高fMRI任務(wù)的可靠性。首先提出兩項(xiàng)可以立即實(shí)施的建議，另外兩項(xiàng)則是需要收集更多數(shù)據(jù)以及進(jìn)行創(chuàng)新。
4.2.1 任務(wù)態(tài)fMRI的即時(shí)機(jī)會(huì):從大腦熱點(diǎn)到全腦特征。
目前，大多數(shù)任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量是基于從ROI中提取的條件之間的對(duì)比(即變化分?jǐn)?shù))。然而，條件間變化分?jǐn)?shù)的可靠性不僅總是低于其組合分?jǐn)?shù)的可靠性，還會(huì)破壞任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量的可靠性。然而，從ROI中提取的基于對(duì)比的激活值只是從任務(wù)態(tài)fMRI數(shù)據(jù)中獲得個(gè)體差異的其中一種測(cè)量方法。例如，通過(guò)利用任務(wù)態(tài)fMRI數(shù)據(jù)中的高維信息，一些多變量方法可以增加測(cè)量的可靠性和預(yù)測(cè)效用。比如，可以通過(guò)以下方法來(lái)提高任務(wù)態(tài)fMRI的可靠性:使用潛變量模型，使用多體素模式分析測(cè)量表征空間中的個(gè)體差異，訓(xùn)練交叉驗(yàn)證的機(jī)器學(xué)習(xí)模型(通過(guò)預(yù)測(cè)獨(dú)立樣本中的個(gè)體差異來(lái)建立可靠性)。此外，任務(wù)態(tài)fMRI可以與靜息態(tài)fMRI相結(jié)合，產(chǎn)生可靠的內(nèi)在連通性測(cè)量。
4.2.2建立一個(gè)報(bào)告任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量可靠性的規(guī)范
心理科學(xué)的可重復(fù)性說(shuō)明了快速變化的規(guī)范如何影響研究的實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，對(duì)假設(shè)和分析方法的預(yù)注冊(cè)研究已經(jīng)越來(lái)越受歡迎。作者認(rèn)為在發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)記物和大腦行為映射的背景下，類似的規(guī)范將有利于發(fā)展任務(wù)態(tài)fMRI。尤其是研究人員在研究個(gè)體差異時(shí)應(yīng)該報(bào)告所有任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量的可靠性。然而，鑒于相關(guān)性在大約150個(gè)觀測(cè)值時(shí)開(kāi)始趨于穩(wěn)定，研究人員如果要有足夠的信心獲得對(duì)任何特定任務(wù)的可靠性，則需要收集更大的重測(cè)數(shù)據(jù)集。本文提供的證據(jù)表明，任務(wù)態(tài)fMRI文獻(xiàn)報(bào)告的可靠性通常較低，由于這些報(bào)告里的重測(cè)樣本規(guī)模相對(duì)較小，因此對(duì)其可靠性的結(jié)論需謹(jǐn)慎對(duì)待。為了追求精確的可靠性估計(jì)，研究人員必須收集更大的重測(cè)樣本，探索影響重測(cè)可靠性的調(diào)節(jié)變量（比如，重測(cè)間隔)，并避免可能由于循環(huán)的統(tǒng)計(jì)分析造成對(duì)可靠性估計(jì)的夸大。
研究人員還可以提供被試間的可靠性，即內(nèi)部一致性。雖然重測(cè)可靠性提供了一種隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性估計(jì)，適合對(duì)性狀和生物標(biāo)記物的研究，但這種估計(jì)較為保守，需要額外的數(shù)據(jù)收集，并且可能會(huì)受到習(xí)慣化效應(yīng)以及快速波動(dòng)的影響。在某些情況下，內(nèi)部一致性更實(shí)用，因?yàn)樗?jīng)濟(jì)且不需要額外的數(shù)據(jù)收集，可以用于任何情況下的任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量。內(nèi)部一致性特別適合那些預(yù)期會(huì)迅速變化的短暫的心理狀態(tài)（比如當(dāng)下的情緒和思想）。然而，僅內(nèi)部一致性不足以作為預(yù)后的生物標(biāo)志物。建立一種明確報(bào)告測(cè)量可靠性的規(guī)范將增加任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性，并加速生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)。
4.2.3來(lái)自更多人的更多數(shù)據(jù)
使用任務(wù)態(tài)fMRI來(lái)可靠的檢測(cè)個(gè)體差異的能力，在一定程度上取決于兩個(gè)互補(bǔ)的因素:(a)每個(gè)研究的人數(shù)更多，(b)每個(gè)人的數(shù)據(jù)更多。有人認(rèn)為神經(jīng)科學(xué)的檢驗(yàn)效力通常不夠，尤其是小樣本量會(huì)破壞fMRI的研究。本文的研究結(jié)果表明，這種檢驗(yàn)效力的不足可能會(huì)被任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量的低可靠性進(jìn)一步復(fù)雜化。fMRI研究樣本量的中位數(shù)是28.5。然而，如圖1所示，ICCs為0.397(元分析平均信度)的任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量的樣本量需要214個(gè)以上，大腦和行為之間0.3的相關(guān)性的檢驗(yàn)效力才能達(dá)到80%。如果r為0.1（在心理學(xué)研究中0.1是一個(gè)小的效應(yīng)），要達(dá)到足夠的檢驗(yàn)效力其總樣本量需要超過(guò)2000個(gè)。作者認(rèn)為增加任務(wù)態(tài)fMRI研究的樣本量，并考慮到檢驗(yàn)效力的分析，對(duì)于使用任務(wù)態(tài)fMRI提高個(gè)體差異研究的可重復(fù)性具有重要意義。
如果沒(méi)有更高的可靠性，任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量將無(wú)法提供在個(gè)體層面上具有意義的生物標(biāo)記物。提高任務(wù)態(tài)fMRI可靠性的另一個(gè)有效方法是每個(gè)人收集更多的數(shù)據(jù)。這種方法已被證明可以提高功能連接的可靠性，初步的研究表明，這可能也適用于任務(wù)態(tài)fMRI。從實(shí)際出發(fā)，收集額外的fMRI數(shù)據(jù)對(duì)被試是一種負(fù)擔(dān)，特別是在兒童和臨床人群中，更長(zhǎng)的掃描時(shí)間通常有更多的數(shù)據(jù)偽影，特別是運(yùn)動(dòng)的增加。自然的fMRI技術(shù)是解決這一挑戰(zhàn)的一個(gè)潛在方案。在自然的fMRI中，參與者在掃描時(shí)觀看刺激豐富的電影，而不是完成傳統(tǒng)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)任務(wù)。初步研究表明，觀看電影對(duì)被試來(lái)說(shuō)是非常有吸引力的，研究者不僅能收集到更多的數(shù)據(jù)，而且被試的運(yùn)動(dòng)也會(huì)更少。作者認(rèn)為，通過(guò)強(qiáng)調(diào)生態(tài)有效性而不是實(shí)驗(yàn)控制，甚至有可能更好地發(fā)現(xiàn)大腦活動(dòng)的個(gè)體差異。在尋求與疾病風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)的大腦生物標(biāo)記物的研究領(lǐng)域里開(kāi)展大規(guī)模的神經(jīng)成像研究，保證對(duì)fMRI心理測(cè)量可靠性的信心是至關(guān)重要的，而這將需要資助者倡導(dǎo)和支持研究人員從更多人那里收集更多的數(shù)據(jù)。
4.4.4優(yōu)化測(cè)量的可靠性和有效性
與其繼續(xù)采用那些由強(qiáng)調(diào)被試內(nèi)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)展而來(lái)的fMRI任務(wù)，作者認(rèn)為我們需要從頭開(kāi)發(fā)新的任務(wù)(和自然刺激)，以優(yōu)化它們?cè)趥€(gè)體差異研究中的效用(即被試間效應(yīng))。心理測(cè)量學(xué)為開(kāi)發(fā)可靠的個(gè)體差異測(cè)量提供了許多工具和方法，這些方法在任務(wù)態(tài)fMRI開(kāi)發(fā)中尚未得到充分利用?？梢愿鶕?jù)這些工具和方法最大限度區(qū)分人群或產(chǎn)生可靠的被試間差異的能力來(lái)選擇fMRI任務(wù)中的刺激。正如前文所提到的，可以采用項(xiàng)目分析、潛變量建模和內(nèi)部一致性測(cè)量等心理測(cè)量工具來(lái)優(yōu)化可靠的任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量。
5結(jié)論
任務(wù)態(tài)fMRI研究的一個(gè)主要目標(biāo)是識(shí)別異常的大腦活動(dòng)，這有助于大腦疾病的診斷、預(yù)后和治療。本文發(fā)現(xiàn)，若要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，常用的任務(wù)態(tài)fMRI測(cè)量方法缺乏最低的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。為了測(cè)量可靠的個(gè)體間變異，需要設(shè)計(jì)和優(yōu)化任務(wù)態(tài)fMRI范式。由于任務(wù)態(tài)fMRI研究面臨著可重復(fù)性挑戰(zhàn)，因此也必須強(qiáng)調(diào)測(cè)量可靠性的重要性。在個(gè)性化醫(yī)療和神經(jīng)科學(xué)的精確化時(shí)代，需要資金進(jìn)行新穎的fMRI研究，并且這種fMRI研究需要具備產(chǎn)生臨床可操作知識(shí)所需的心理測(cè)量的嚴(yán)謹(jǐn)性。
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第三十六屆腦電數(shù)據(jù)處理中級(jí)班（上海，11.13-18）
第二十八屆腦電數(shù)據(jù)處理入門(mén)班（上海，11.20-25）
第二十五屆近紅外腦功能數(shù)據(jù)處理班（上海，12.7-12）
北京：
第五屆R語(yǔ)言統(tǒng)計(jì)班（北京，11.16-20）
第三十九屆腦電數(shù)據(jù)處理中級(jí)班（北京，12.13-18）
數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)介紹：
思影科技功能磁共振(fMRI)數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)
思影科技彌散加權(quán)成像（DWI/dMRI）數(shù)據(jù)處理
思影科技腦結(jié)構(gòu)磁共振成像數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)（T1)
思影科技定量磁敏感（QSM)數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)
思影科技嚙齒類動(dòng)物（大小鼠）神經(jīng)影像數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)
思影科技靈長(zhǎng)類動(dòng)物fMRI分析業(yè)務(wù)
思影數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)三：ASL數(shù)據(jù)處理
思影科技腦影像機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)介紹
思影科技微生物菌群分析業(yè)務(wù)
思影科技EEG/ERP數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)
思影科技近紅外腦功能數(shù)據(jù)處理服務(wù)
思影科技腦電機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)
思影數(shù)據(jù)處理服務(wù)六：腦磁圖（MEG）數(shù)據(jù)處理
思影科技眼動(dòng)數(shù)據(jù)處理服務(wù)
招聘及產(chǎn)品：
思影科技招聘數(shù)據(jù)處理工程師 （上海，北京，南京，重慶）
BIOSEMI腦電系統(tǒng)介紹
目鏡式功能磁共振刺激系統(tǒng)介紹
