在fNIRS研究中,大家都希望有更多的通道数,因为这样可以覆盖更多的脑区以获得更多的观察数据。然而实际上,盲目增加通道数目可能并不是在任何时候都是有益的。
盲目地增加通道数会导致以下几个问题:
1、过多的通道数会增加研究时间成本。主试在进行研究时需要花更多的时间调整通道信号。当非主要观察的脑区信号不好时,主试面临直接放弃这个通道的信号质量和在这一个通道上花费更多时间的选择。对于前者,这个差的通道信号需要在数据处理时排除,如果忘记或者遗漏了这个差通道数据,会对整个试验结果造成影响。对于后者,主试和被试都会因为试验时间过长而感到不适。
2、过多的通道会增加数据分析的负担。为了确保数据质量,在数据分析的时候需要对每一个通道的数据进行质量控制,这会花费很多时间。
3、最重要得是,过多的通道会导致难以获得能通过多重比较校正得阳性结果。以下以常用的FDR校正和Bonferroni校正为例进行解释:
首先,Bonferroni校正比较好理解,直接将的定得P值除以假设检验的次数(在激活分析中是通道数,在连接分析中是连接数)。
我们使用包含100通道的5个被试的经典的手指敲击任务为例进行分析(为了进行说明,此处特意卡了被试数目以获得用以说明的结果),结果显示最小通道的P值是0.0013。
假设我们使用Bonferroni校正,则校正P值为0.05/100=0.00005,那么在这次分析中没有通道能通过多重比较校正,无法获得阳性结果(当然,仍然可以通过增加数据获得阳性结果,这不在本次讨论中)。实际上我们知道应该有阳性结果的,这是假阴性。
在这个单纯的手指敲击任务研究中,实际上基于假设无需用到这么多通道,这些通道包括了颞叶(听、言语皮层)、枕叶(视觉皮层)、靠近中间的顶叶和前额叶,其中大多数通道与我们要观测的任务相关脑区没有关系,是多余的。实际上我们只需要覆盖左右运动区的通道即可,这大概是10-20个通道,那么在同等条件下,校正后的P值为0.05/20=0.0025,这样就是4个通道可以通过校正,获得阳性结果。
多余的与观测任务无关的脑区通道的引入拉高了多重比较校正的门槛,并且对激活没有贡献,这导致假阴性,或者需要更多的数据来获得阳性结果。增加了试验负担。这种影响在做功能连接时更显著,增加一个通道,就增加了n-1次假设检验。
类似的结论在FDR校正时同样存在。只是因为校正原理不同,这种影响在FDR校正中小一点。
使用包含100通道的10个被试的经典的手指敲击任务为例进行分析。在这次分析中当使用FDR校正时,校正P值为0.0009,有2个通道通过了校正。如果我们减少一半(50个)不需要的通道,则会有3个通道通过。假如如Bonferroni校正中所述的只需要40个通道,则有9个通道可以通过校正。
以上所有的论述都建立在我们已知的经典的范式上,这在其他实际使用的新范式中这种影响更大。所以过多的通道会带来更多的假阴性的结果。
那么较多的通道是否就没有优点呢?实际上,覆盖更广的通道是有其必要性的。
研究按照分类可以分为探索性研究和确证性研究。探索性研究大意是指对于一个陌生的新的研究没有预期假设,需要通过探索性研究观察到结果。而确证性研究指对研究的内容有较为确定的假设,后续的研究是为了验证这个假设。显而易见,覆盖更广的多通道在探索性研究中具有优势,它可以更全面的覆盖探索的结果。
举个例子,如上文所述我们对手指敲击任务有非常明确的假设:激活区域位于手运动区。那么我们现在进行一个新的范式,看别人手指敲击的皮层效应研究(假设我们不了解这个任务的情况)。那么这个任务可能激活的区域包括运动区、前额叶(高级认知功能)、枕叶(视觉)等。这时候如果我们只有运动区的覆盖,那么我们就可能观察不到结果,运动观察不一定会引起运动皮层的兴奋,而可能引起枕叶皮层或前额叶皮层的兴奋。这时候如果我们有覆盖全脑的fNIRS设备,那么我们就能够在前额叶或枕叶发现一定的趋势(不一定是明确的激活),然后进行下一步的确证性研究:假设这个激活在前额叶或枕叶,专门研究这两个区域。
其实上述的逻辑更佳解释是在研究的时间维度。对于一个新的研究,首先应该进行预实验,而预实验往往是探索性的。预实验通过少量的样本量获得预实验数据和大致趋势,而不需要获得明确的阳性结果。在预实验的基础上设计正式试验,并通过预实验的结果计算获得阳性结果的最小样本量,再进行正式试验,这时候的正式试验就是确证性的研究。
当然,大量通道还有一个适用范畴,你的确证性研究中的感兴趣区域非常多。这种情况下也不能因噎废食,为了获得结果而放弃部分确实需要的感兴趣区域。这种情况下应该通过增加被试或其他方式来获得阳性结果。
最后,思考一个问题,如果我们有足够的通道数据的设备,但是我只采集感兴趣区,或者全部采集后只分析感兴趣区是否可以?答案是可以。但是如果你采集了所有通道的数据,发现有几个通道有差异,然后再分析一次,只分析这几个通道,从而获得阳性结果,这是否可以?答案是不可以。这两种方法看结果都是只分析了目标的几个通道,但实际上这在统计学上是完全不同的两件事。在第二种分析中,你在知道结果的情况下进行了主观选择,这是统计学中不能接受的。而第一种你的选择是在不知道结果的情况下进行的。
小结:
1、通道数目不是越多越好,需要根据需求设定适当的通道数。
2、在探索性研究中需要更多的通道观测足够多的脑区,在确证性研究中只要能够覆盖感兴趣区域的通道数即可。
此外,需要说明的是,拥有一台更多通道的设备是必要的,因为你可以选择使用更少的通道,但是你没有办法从有限通道的设备上变出新通道。