40% Sinyal MRI Tidak Sesuai dengan Aktivitas Otak yang Sebenarnya

• Pencitraan resonansi magnetik fungsional (fMRI) telah lama digunakan sebagai alat utama untuk mengukur aktivitas otak, tetapi riset terbaru mengajukan pertanyaan mendasar tentang akurasi interpretasinya
• Hasil penelitian mengonfirmasi bahwa tidak ada keterkaitan yang berlaku umum antara perubahan konsentrasi oksigen yang diukur dengan MRI dan aktivitas saraf yang sebenarnya
• Dalam eksperimen, sekitar 40% kasus menunjukkan sinyal fMRI meningkat meski aktivitas otak menurun, dan sebaliknya juga diamati kasus ketika sinyal menurun tetapi aktivitas meningkat
• Otak tampaknya memenuhi kebutuhan energinya dengan mengekstraksi oksigen dari darah yang ada secara lebih efisien tanpa meningkatkan aliran darah
• Temuan ini menjadi titik balik penting bagi cara menafsirkan riset gangguan mental dan neurologis serta pengembangan model berbasis metabolisme energi otak

---

Runtuhnya asumsi lama tentang interpretasi sinyal fMRI

• Selama sekitar 30 tahun, fMRI menjadi alat inti dalam penelitian otak, tetapi tim peneliti dari TUM dan FAU membuktikan bahwa interpretasinya bisa jadi tidak mencerminkan aktivitas saraf yang sebenarnya
  • Studi ini diterbitkan di Nature Neuroscience
  • Dikonfirmasi bahwa tidak ada korelasi universal antara kandungan oksigen yang diukur dengan MRI dan aktivitas saraf
• Hasil eksperimen menunjukkan bahwa sekitar 40% kasus kenaikan sinyal fMRI justru berkaitan dengan penurunan aktivitas otak
  • Sebaliknya, kasus penurunan sinyal yang sejalan dengan peningkatan aktivitas juga ditemukan
• Hal ini menunjukkan bahwa asumsi lama “aktivitas meningkat → aliran darah meningkat → kebutuhan oksigen terpenuhi” ternyata keliru

Desain eksperimen dan metode pengukuran

• Para peneliti meminta lebih dari 40 peserta sehat menjalankan berbagai tugas seperti aritmetika mental dan mengingat kembali memori autobiografis
• Pada saat yang sama, mereka mengukur konsumsi oksigen nyata dengan teknik MRI kuantitatif baru
• Hasilnya berbeda menurut tugas dan wilayah otak, dan dikonfirmasi bahwa peningkatan konsumsi oksigen tidak selalu mengarah pada peningkatan aliran darah
  • Misalnya, pada wilayah yang terkait perhitungan, efisiensi ekstraksi oksigen meningkat tanpa perubahan aliran darah
  • Artinya, otak memenuhi kebutuhan energi tanpa meningkatkan volume aliran darah

Dampak terhadap penelitian penyakit otak

• Penelitian lama yang menggunakan perubahan aliran darah sebagai indikator aktivasi saraf perlu dievaluasi ulang
  • Ini memunculkan kemungkinan kesalahan interpretasi dalam penelitian gangguan mental dan neurologis seperti depresi dan Alzheimer
• Khususnya pada lansia atau pasien dengan penyakit pembuluh darah yang mengalami perubahan vaskular, nilai pengukuran bisa mencerminkan perbedaan pembuluh darah, bukan defisit saraf
• Hasil penelitian hewan sebelumnya juga mendukung arah temuan ini

Usulan pendekatan analisis baru

• Tim peneliti mengusulkan menggabungkan pengukuran kuantitatif ke dalam pendekatan MRI yang ada
  • Ke depan, ini dapat menjadi dasar untuk membangun model otak berbasis energi
• Alih-alih sekadar peta aktivasi, analisis dapat berkembang menjadi tampilan jumlah oksigen dan energi yang benar-benar dikonsumsi untuk pemrosesan informasi
• Dengan demikian, terbuka peluang untuk memahami perubahan metabolisme energi pada penuaan, gangguan mental, dan penyakit neurodegeneratif dalam angka absolut

Latar belakang penelitian dan informasi publikasi

• Penelitian dilakukan di Neuro-Head Center rumah sakit universitas TUM
• Didukung oleh Starting Grant dari European Research Council (ERC)
• Makalah: BOLD signal changes can oppose oxygen metabolism across the human cortex,
  Nature Neuroscience, 12 Desember 2025, DOI: 10.1038/s41593-025-02132-9

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Dulu saya pernah bekerja di startup riset BMI dan sempat menangani peralatan mahal untuk mengukur sinyal saraf seperti EEG dan fMRI
  Saya cepat sadar bahwa rasio sinyal terhadap derau (SNR) terlalu rendah sehingga hasilnya hampir mustahil direplikasi
  Saya pernah melihat makalah yang mengklaim deep learning bisa memprediksi gambar yang dibayangkan seseorang dari sinyal fMRI, lalu saya bertanya, “Bukankah deep learning memang pandai menemukan pola bahkan dalam noise acak, jadi jangan-jangan ini overfitting?” dan tidak ada jawaban yang jelas
  Sebulan kemudian muncul artikel-artikel dengan nada “AI kini bisa membaca pikiran Anda”, dan itu terasa absurd
  Jadi kalau ada yang bilang “mindfulness mengubah gelombang otak”, saya biasanya menjawab “kalau itu berbasis riset EEG, sulit dipercaya”
  Tentu saja, secara pribadi saya merasa itu membantu

  • Ada juga banyak riset yang dapat dipercaya dengan EEG dan fMRI
    Yang penting adalah memperlakukan gerakan dan noise fisiologis sebagai masalah utama, serta menerapkan standar kualitas data yang ketat
    Kesimpulan tentang overfitting deep learning itu terasa terlalu digeneralisasi
  • EEG cukup berguna untuk kasus sederhana seperti riset tahap tidur atau biofeedback
    Sebaliknya, belum jelas apakah fMRI memiliki kualitas sinyal setingkat itu
  • Jika dalam riset prediksi gambar hasilnya lebih tinggi daripada acak secara statistik, itu sendiri bisa menjadi hasil yang bermakna
    Jika desain eksperimennya benar, itu tetap bisa dianggap hasil yang menarik meski tanpa banyak pengetahuan tentang fMRI
  • Masalah rasio sinyal terhadap derau tidak berhubungan langsung dengan topik artikel ini
    Makalah kali ini mengklaim bahwa aliran darah itu sendiri tidak mencerminkan aktivitas otak secara berguna

• Saat kuliah pascasarjana, saya ingat pernah membaca makalah tentang aktivitas otak yang signifikan secara statistik terdeteksi pada seekor salmon mati
  Waktu itu saya berpikir, ‘ini pantas dapat Ig Nobel’

  • Sebenarnya riset itu memang kami yang melakukannya
    Itu menunjukkan bahwa tanpa koreksi statistik yang tepat pada fMRI, positif palsu bisa muncul, dan kami menerima Ig Nobel pada 2012

• Sebagai software engineer di bidang ini, saya memahami bahwa riset kali ini adalah upaya memverifikasi sinyal BOLD yang sudah ada dengan teknik MRI lain
  Namun kedua teknik sama-sama melewati berbagai asumsi statistik dan tahap pemrosesan data, dan proses itu sendiri mengandung ketidakpastian
  Misalnya, perlakuan yang arbitrer seperti “jika sinyalnya kasar, haluskan dengan filter Gaussian”
  Karena itu saya merasa sulit untuk menyimpulkan bahwa “sinyal B menunjukkan sinyal A tidak merefleksikan aktivitas otak yang sebenarnya”
  Makalahnya juga menyebut bahwa karena tidak ada PET scanner, mereka memakai MRI kuantitatif sebagai gantinya

  • Dalam riset itu disebutkan bahwa pada 40% kasus sinyal fMRI berkorelasi terbalik (anticorrelation) dengan aktivitas otak nyata, tetapi saya rasa kesimpulan seperti ini juga bisa memiliki masalah yang sama seperti keterbatasan umum fMRI
    Untuk verifikasi yang sesungguhnya, eksperimen harus diulang dengan beberapa multimodalitas seperti fMRI, PET, dan lainnya
  • Pernyataan “universitas tidak punya PET scanner” itu tidak benar
    TUM memang memiliki perangkat PET (tautan)
  • Dalam kebanyakan riset nonklinis, PET 15O tidak digunakan
    Setahu saya itu terutama dipakai untuk tujuan klinis

• Saat pascasarjana di UCSD, saya ingat makalah Ed Vul “Voodoo Correlations in Social Neuroscience” memicu kontroversi besar
  Makalah itu menyoroti masalah korelasi berlebihan dalam riset fMRI, dan pada akhirnya judulnya dilunakkan saat diterbitkan
  Vul saat itu baru tahun pertama menjadi asisten profesor, dan terasa seperti sosok jenius yang menantang satu bidang secara keseluruhan
  Makalah terkait dan komentar bisa dilihat di sini, di sini, dan di sini

• Sebagian besar komentar di thread ini tampaknya ditulis oleh orang-orang yang bukan ahli pencitraan
  Banyak isinya dipengaruhi artikel sains populer
  Literatur tentang ini sudah ada, jadi silakan cari sendiri

  • Kalau hanya berkata begitu, itu tidak membantu
    Setidaknya lebih baik memberi tahu makalah atau referensi yang layak dibaca
  • Saat bidang keahlian sendiri dibahas di HN, itu bisa menjadi pengalaman yang menyakitkan untuk dilihat
  • Kalau memang banyak komentar yang salah, akan lebih bermanfaat jika ditunjukkan secara konkret bagian mana yang keliru
  • Sebagai pasien fMRI, dari pengalaman saya isi fMRI sama sekali tidak disebut dalam laporan hasil pemeriksaan
    Saya juga tidak pernah dijelaskan kenapa pemeriksaan itu dilakukan
  • Komentarnya juga belum banyak, jadi daripada hanya berkata “cari literaturnya”, mungkin lebih baik meluruskan satu atau dua kesalahpahaman

• Ini mengingatkan pada riset fMRI salmon mati (tautan)
  fMRI sejak dulu sering dikritik karena landasan ilmiahnya yang tidak stabil

  • Sebenarnya riset ini bukan hanya masalah fMRI, tetapi menunjukkan apa yang bisa terjadi pada semua teknik pencitraan yang berisik jika koreksi statistik tidak dilakukan
    Sekarang koreksi pengujian berganda seperti Bonferroni atau FDR sudah menjadi prosedur standar
  • Menyebut riset Bennett dkk. sebagai “riset Stanford” itu tidak tepat
    Poster aslinya bisa dilihat di sini
  • Teknik statistik untuk fMRI sudah banyak berkembang, jadi kritik saat itu tidak bisa diterapkan mentah-mentah pada kondisi sekarang
  • Saya juga langsung teringat riset itu
    Saya tidak sadar itu ternyata sudah selama itu

• Sebagai kabar terkait, ada riset bahwa psychedelic merusak keterkaitan antara aliran darah otak dan aktivitas saraf
  Itu mempertanyakan riset-riset lama yang menafsirkan peningkatan aliran darah pada fMRI sebagai peningkatan aktivasi otak
  tautan

  • Pada era 1980-an saat MRI mulai naik daun, saya teringat Stoned Ape Theory dan merasa hubungan antara aliran darah dan pola pikir itu menarik
    Tapi pada praktiknya, faktor sederhana seperti gerakan tubuh atau respons fisiologis sering diabaikan
    Saat melihat orang-orang yang sedang berhalusinasi di klub, saya merasa sistem vaskular mereka sangat teraktivasi
    Karena itu saya skeptis terhadap klaim bahwa “konektivitas otak meningkat dalam kondisi psychedelic”

• Dalam riset yang saya ikuti saat kuliah sarjana, kami pernah mempercepat analisis fMRI dengan MapReduce dan GPU (tautan)
  Itu pekerjaan tahun 2014, tetapi kalau dilihat sekarang pun rasanya tidak banyak yang berubah

• Mempromosikan fMRI atau pemindaian SPECT kepada publik seolah-olah itu alat diagnosis psikiatri adalah hal yang berbahaya
  Dokter influencer seperti Dr. Amen menjual pemindaian seharga ribuan dolar, tetapi dasar ilmiahnya lemah sehingga asuransi pun tidak menanggungnya
  Jika citra otak diberi warna dan ditampilkan, orang-orang cenderung langsung menganggapnya ilmiah dan dapat dipercaya, padahal itu terasa seperti frenologi modern yang non-invasif (non-invasive phrenology)

  • Dr. Mike di YouTube pernah mewawancarai Amen; awalnya tampak simpatik, tetapi pada bagian dasar ilmiah ia bersikap kritis (video)
  • Ini juga mengingatkan pada kasus fMRI salmon mati tahun 2009 (artikel Wired)
  • Saya pernah melihat laporan Amen, dan “gambar pemindaian otak” yang dia berikan kepada pasien pada dasarnya hanyalah grafik vektor setingkat MS Paint
  • Ada riset yang menunjukkan bahwa hanya dengan menyertakan gambar otak dalam makalah, tingkat kepercayaan ilmiahnya dipersepsikan lebih tinggi (tautan PubMed)

• Bahkan 30 tahun lalu saat saya bekerja di Cognitive Neurophysiology Lab, hal-hal seperti ini sudah diketahui
  Mungkin maksud makalah kali ini adalah untuk mengingatkan publik umum lagi

  • fMRI sudah lama menjadi teknologi yang disalahgunakan bahkan di kalangan ahli
    Karena itu diskusi seperti ini memang perlu terus disampaikan kepada publik
  • Saya penasaran apakah peningkatan aliran darah otak bisa terjadi karena alasan selain aktivitas saraf
    Misalnya, mungkinkah itu terkait proses seperti pembuangan limbah
  • Respons BOLD hampir diterima sebagai konsep standar dalam ilmu saraf
    Tentu masih ada misteri seperti faktor non-neural atau respons dengan korelasi negatif
  • Klaim bahwa “tidak ada korelasi umum antara konsentrasi oksigen dan aktivitas saraf” terasa seperti pernyataan yang berlebihan