When default is not default: Solutions to the replication crisis and beyond

Funksjonell magnetresonansavbildning (fMRI) er en svært utbredt metode for å studere hjernens funksjoner både i friske personer og i pasienter med lidelser som kan påvirke hjernens struktur eller funksjon. Utviklingen av fMRI for over 25 år siden var en milepæl i hjerneforskning, og har ført til flere avgjørende innsikter i hvordan hjernen fungerer. Det er imidlertid en avgjørende begrensning for fMRI: den kan nesten utelukkende brukes til gruppestudier. Årsaken til denne begrensningen er at fMRI ikke måler hjerneaktivitet direkte, men kun metabolske prosesser som antas å være et resultat av hjernes aktivitet, og disse prosesser er veldig variabelt og kan lett påvirkes av, for eksempel om deltakerne har drukket kaffe, sov dårlig natten før, har hatt en stressende dag, og andre, hittil ukjente, faktorer. Denne variasjonen av fMRI-signalet medfører at forskeren sliter med å replisere tidligere studier, og dette problem står sentralt i den "replikasjonskrisen" som flere forskere nå påpeker som en av de største utfordringene. Det er imidlertid flere veier ut av denne krisen: For det første kan man anta at de underliggende hjerneaktiveringen er mye mer stabilt enn det målte fMRI-signalet, et signal som bare gir oss en ide om hvordan hjernens aktivering kunne ha sett ut. Derfor skal prosjektet utvikle metoder som mer pålitelig kan estimere den "ekte" hjerneaktiveringen basert på fMRI-signalet. For det andre, skal det utforskes den "naturlig" forekommende variabiliteten i fMRI-resultater. Kanskje er det ingen "replikasjonskrise", men alle divergerende resultater faktisk er innenfor den variabiliteten som metoden innebærer? Når dette er kjent, vil det være mulig å utvikle nye analysemetoder som tar hensyn til denne "naturlige" variabiliteten. Til slutt, når vi har nådd en bedre forståelse og bedre analyseverktøy er utviklet, kan fMRI være klar til å ta neste steg: Bredere kliniske applikasjoner, for eksempel for pasientfokuserte og individualiserte diagnostiske prosedyrer. Siden oppstrat av prosjektet har vi replikert på tvers av flere «open-access» databaser og i tillegg fra egne innhentede data at tidspunktet når fMRI undersøkelsen gjennomføres påvirker resultater. Videre, og som forventet, varierer den metabolske karakteren til fMRI-signalet i større grad enn den underliggende neuronale aktiveringen. Videre indikerer de første resultatene fra en av våre longitudinelle studier at det er betydelig variasjon på tvers av deltakerne, i hvor pålitelige de individuelle resultatene er. Vi forventer at våre påfølgende analyser vil identifisere kritiske parametere som påvirker denne individuelle variasjonen. Til slutt jobber vi med simuleringer og nye analysemetoder for å gi nye forklaringsmodeller.

This project addresses a very timely and highly important question of cognitive neuroscience studies: What factors influence the reliability of neuroimaging studies? Recent studies have estimated the reproducibility of psychological studies to be 39% or less and indicated a severe limitation of neuroimaging (fMRI) study reliability. Too small sample sizes, low to moderate effect sizes, and only partly understood neurophysiological mechanisms behind the BOLD/fMRI signal make it difficult to generalize results to larger populations, thereby impeding the impact of highly needed neuroscience studies on theoretical (scientific), methodological, and clinical progress. The overall objectives of this project are to (i) improve our understanding of the neurophysiological mechanism of the BOLD signal and its sources of variability to (ii) find a solution to the replication crisis by developing a new Bayesian and topology-based resting-state analysis framework as an alternative approach to today's analysis strategies, and to (iii) induce a paradigm shift from the current focus on an easy to measure but susceptible BOLD signal to the underlying, but (partly) hidden neuronal states that are presumably more stable and reliable. The project will break new ground by providing new insights into the neurophysiological mechanisms of the fMRI signal, its variability, dependency on endogenous and exogenous parameter, and reliability, and it will advance the research field of basic and clinical neuroimaging by providing new analysis strategies. To accomplish its mission, this project will use a longitudinal approach to examine the variability and reliability of resting-state networks and brain dynamics, supplemented by a cohort study in healthy participants as well as an exemplary clinical study and by the analysis of fMRI data from open-access data repositories.