综述：特性而非缺陷：复制失败可催生新的生物学发现

《Current Opinion in Neurobiology》：A feature and not a bug: Replication failures can lead to new biology

　　

大多数已发表的神经生物学发现均能被作者及其他实验室复制。神经元和回路具有简并性：多组参数可以产生相同的输出。对扰动响应的复制失败可能源于简并性系统。复制失败可以揭示重要的新发现与见解。

**引言**

许多关于行为与临床神经科学中复制失败的报告，促使人们更加重视复制的重要性。改进统计方法、数据管理、分析与存储显然会推动神经科学的发展。确保受训者掌握数据采集、统计与分析方面的“最佳实践”，是科学家教育的关键组成部分。尽管期刊要求详细说明实验方案以消除不确定性，但不同实验室之间的操作差异仍可能无意间渗入研究设计。此外，研究群体与环境变量之间被低估的差异，也可能导致复制失败。

虽然某些复制失败可能反映粗糙的研究实践，但大多数并无恶意根源，而是专注的科学家在知识前沿工作的结果。研究实践不断演进，重要错误不太可能长期不被发现。复制失败可能为了解我们对世界的认知中的缺失提供重要线索。

**分子与分析工具、遗传品系及预印本服务器确保国际科学界的自动复制**

作者的实验室经常重复已发表的结果，作为新实验的对照或基线。其他研究相同准备的实验室也常规进行相同的基线测量。跨研究者与实验室比较相似数据后，发现基本一致。研究线虫、果蝇、小鼠和大鼠的实验室定期共享试剂、方法、方案与遗传品系，并经常汇总数据。随着试剂和方法在国际范围内自由流通，使用这些共享工具所需的基线测量成为数据可靠性的检验与验证手段。因此，新方法被学界吸纳时，世界各地实验室为实施新方案和试剂而进行的基线与对照实验，构成了大量的自动复制。这些“实施检查”作为学界内部的自我修正机制，提醒科学家注意技术问题。

实验室越来越普遍地将“已完成”的手稿发布到BioRxiv等预印本服务器上。这些预印本可轻松更新和修订，国际学界产生的评论构成有机的群体自我修正机制。

**神经元行为中的简并性、多重解**

生物系统本质上是简并的；相似的生理输出可由不同的组分参数集产生。即使遗传相同的动物，也会因随机分子过程随时间的累积差异而变得简并，并表现出不同行为。此外，脑蛋白质的寿命差异很大，这增加了单神经元、突触和回路中解的多样性。在表现相似的野生型动物群体中，已鉴定神经元内大多数细胞组分的mRNA表达存在2至7倍差异，计算模型中的简并解也捕获了这一点。个体——包括人类——可能对许多环境条件反应相似，但特定环境刺激或应激源可能揭示其差异。

简并性可在单细胞水平上通过检查通道功能对神经元兴奋性的影响看到。具有相同类型电流但通道数量不同、电压依赖性不同或受其他参数控制的模型均可产生简并性。Morris-Lecar模型仅含两种电压依赖性电流：内向Ca²⁺电流使细胞去极化，外向K⁺电流使其超极化。图1中的两个模型通道数量相同，但施加于电流的Q₁₀值不同（Q₁₀描述温度对生物过程的影响）。在22°C时，两个模型产生基本相同的输出，说明简并解的存在。然而该图也展示了简并解的另一个特征：受到较大扰动时，它们会作出不同反应。图1中，在22°C以外的温度下，模型行为出现分歧。

在含七个电压依赖性电流的模型爆发行为中也可看到同样的信息。模型A和模型B在对照条件下行为相似，但各电流对其对照活动的贡献不同。当其中一个Ca²⁺电流的最大电导降低时，即使仅降至75%，也揭示了行为上的显著差异。有趣的是，在钙电导的50%处，两个模型再次表现出相似性，但进一步降低钙电导时，模型行为再次分化。

该图揭示了简并系统带来的隐藏复杂性与挑战。如果只研究对照和50%情形，人们不会怀疑其他情形会呈现不同性质。如果一位研究者研究对照和50%情形，而另一位研究者研究相同对照但75%或25%情形，这看起来就像“复制失败”。如果两位研究者都考察完整的扰动范围，他们很容易看到两个模型因底层参数集不同而反应不同。两个模型的可变反应不是“噪声”，而是生物学特征，只是在适当扰动下才被揭示。这一简单例子预测，明显的复制失败往往出现在简并系统中。

由于生物系统是简并的，未受扰动时看似相似的生物系统在面对扰动时可能以不可预期的方式作出不同反应，并可能表现出隐藏的“隐性”变化，这些变化仅在扰动时显现。这些可能看起来像“复制失败”，但实际上是在看似相似的对照动物和准备中发现的简并状态的直接结果。研究者面临的难题是，难以提前预测哪些扰动会导致测试群体中相对一致的行为，哪些会揭示个体间的差异。

在计算模型中，可以检查促成某种输出或生理状态的参数空间结构。但在实验研究中，研究者无法获得所有影响结果的因子。因此，人们正在尝试开发新方法来表征生物神经元的参数，以估计或评估它们对神经元动力学的贡献。

**平均化的失败**

简并系统的后果之一是，对个体样本进行平均可能给出不同于用于计算均值的所有测量结果所表现的行为。图3展示了一个单峰爆发型模型群体的数据，这些模型具有相似波形但底层电导不同。当用这些单峰爆发型神经元的平均Na⁺电导和平均K⁺电导构建模型时，该模型并不呈现用于计算均值的个体神经元的表型。这种情况并非必然发生，而是取决于产生相似波形或输出的组分之间补偿与相关的具体性质。

图4说明了另一类错误：对空间上的解剖图像结果进行平均可能产生错误。在10个样本的切片中，每个样本的某个区域均有活性定位。每个样本在一个位置显示弱信号。当叠加确定信号的“平均位置”时，由于活性位点并未完美对齐，平均产生了两个活性位置。因此，在试图使结果更可靠的过程中，研究者创造了一个不代表任何样本的平均值。

第三个混淆因素来自对表面相似但在一项或多项重要特征上存在差异的个体群体进行平均。当然，平均并不必然失败，功能回路内多个神经元的平均属性可能是回路功能的极佳预测指标。

**在“室温”下进行的实验可导致“复制失败”**

当两个或多个研究组打算进行“相同”实验但实际上并未如此时，就可能发生复制失败。这种情况的发生频率可能比我们意识到的更高。一个令人不安的例子是实验温度被报告为室温。实验楼宇显示出显著的室温波动。如果实验温度未被仔细控制和报告，不同实验室的实验可能产生差异，因为许多生物过程在4–5°C范围内变化显著，而这一范围通常属于室温范围。

在一项引人注目的研究中，Ranjan等人创建了40种同源K⁺通道在15°C至35°C范围内的功能动力学图谱。这项研究对兴奋性背后的生物物理机制具有重要启示。35°C下的测量结果可能与较低温度下的测量结果差异很大。因此，希望解释温血脊椎动物生理功能的研究者不应从室温测量结果进行外推。一些在低温下测量的通道动力学与接近生理温度的测量结果有质的不同，且Q₁₀随测量电流时的电压和温度而变化。

**特征与参数之间相关性的变化**

研究者通常寻找单个组分或特征的表达之间的相关性，以深入了解系统组分如何促成系统行为。但在简并系统中，系统组分之间的相关性可能因扰动而改变，尽管系统行为得以维持。实验研究中看到的一些相关性可能并非特定类型神经元活动输出所必需的。

**环境与受试群体的非平稳性可导致复制失败**

作者的实验室有时未能复制之前工作的某个方面。进一步调查后，发现了初始实验设计中的某些特征，或关于世界或实验室条件平稳性的假设是没有根据的。

在最初研究温度对螃蟹幽门节律影响的实验中，发现节律在适宜范围内频率增加，但在25–28°C以上时“崩溃”或丧失功能。几年后，制备在高达35°C时仍保持稳健的幽门节律。最终清楚的是，崩溃温度逐年变化，因为平均海洋温度发生波动。回顾来看，北大西洋海洋温度的缓慢上升会引起缓慢驯化，从而改变急性温度扰动对动物神经系统的影响，这不应令人惊讶。通过监测海洋温度，可以探讨野生捕获动物的神经系统如何被环境改变的机制性问题。

环境条件改变对动物和人类的影响无疑是深远的，环境非平稳性可能涉及许多难以测量和评估的因素，从而促成复制失败。未来这一点将尤为严峻，因为许多地区正在经历显著的天气或污染变化。同样，人类健康和习惯随时间的变化也容易导致临床试验中的复制失败。

**结论**

我们往往从不符合预期的实验或计算模型中学到最多。正是对意外结果的探索促使我们重新思考或改变概念框架，并重新评估现有知识的假设或局限。复制失败常常提醒我们，仍有大量未知。然而，当我们试图将科学转化为现实实践时，例如营养建议、气候变化修复行动计划、临床护理或安全车辆与机器人的工程设计中，我们希望在对影响人类、动物和植物健康的现实决策所依据的数据可靠性方面达到一定程度的确定性。不幸的是，由于简并系统和世界缺乏平稳性，恰恰在那些对公共政策或决策最关键的场合，最难达到可靠性标准。令人高兴的是，更多联盟正在汇集全球各地产生的大型数据集。这些大型数据集提供了二三十年前往往缺乏的统计效力，并且通常更好地代表了人类多样性。当今数据挖掘和分析工具的巨大进步意味着有可能利用人类和动物群体中的全部简并性和复杂性，来理解在高度可变的环境条件下影响人类和动物行为的遗传、分子、生理过程及其相互作用的丰富性。