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Is Neuroimaging Just Modern Phrenology?

  • You might have heard the term ‘phrenology’ thrown around, usually in the context of pseudoscience and racism. Or, if you’ve heard discussions about the Quentin Tarantino movie Django Unchained, it might have come up in the context of Leonardo DiCaprio’s weird scene with the skull.

    Django Unchained (2013)

    So what is it, and why do some people say that modern neuroimaging methods, such as fMRI, are the same thing?

    I have a weird personal connection to the concept of phrenology: my family is from the tiny town in southern Germany where this particular branch of pseudoscience was born. Or rather, its inventor Franz Joseph Gall was born there, in 1758. Up to this day, one of the longest streets in town, as well as the local pharmacy, are named after Dr. Gall.

    Pharmacy named for Gall in his hometown (photo by Emma Peikert)

    Plus, I’m using neuroimaging methods for most of my research. So the idea that my current line of brain research is just an extension of some racist ideology that was basically invented in my family’s backyard hits home on several levels.

    “Phrenology was never science—not even in the 19th century.”

    Phrenology started out with a simple idea: Gall was a medical doctor fascinated by the human brain. He assumed, correctly, that the brain is the seat of all mental functions. Furthermore, he hypothesized that different mental processes are located at specific spots throughout the brain, which is also largely correct.

    This, however, was where the facts stopped and the guessing game began. First, Gall and other phrenologists postulated 27 different measurable mental properties (like cautiousness, hope, or wonder) that had never been scientifically investigated. Rather than being rigorously examined, these traits were simply assumed to be solid, meaningful constructs. Secondly, even though Gall and his colleagues were interested in the shape of the brain, they were only able to measure the shape of the skull and assumed it was the same, or at least similar enough. Neither of these assumptions held up to today’s, or even their day’s, scientific standard. Phrenology was never science—not even in the 19th century.

    This combination of assumptions was a recipe for disaster: as phrenology became a hype, people collected and measured thousands of skulls and looked for patterns that, in reality, had nothing to do with personality traits. If history had gone differently, maybe phrenology would have become like astrology: an odd, still popular pastime, born of the desire to learn more about human personality by searching for entirely unrelated natural patterns.

    “The scientific method was the same in Gall’s time as it is today. “

    Instead, it turned sinister very quickly: perceived differences between ethnicities were exaggerated and used as an excuse to justify white supremacy. One of the founders of modern criminology, Cesare Lombroso, built upon phrenology to argue that some people were born dangerous and could be identified by the shape of their face.

    Phrenology had always been met with varying degrees of skepticism by the established scientific community. The scientific method was the same in Gall’s time as it is today. Indeed, for centuries the scientific method has resisted the over-interpretation of spurious correlations. This term describes statistical relationships that are not meaningful, or that are caused by an underlying connection. For example, the damage caused by a fire is correlated with the number of firefighters present at the scene. However, this does not mean that firefighters cause the damage; instead, both variables are connected to an underlying cause – in this case, the severity of the fire itself. An extreme example for statistical relationships without any underlying conceptual connection would be the finding that the more films Nicolas Cage releases in any given year, the more people drown in pools.

    At some point, the popularity of phrenology waned, and it is now rightfully seen as a dark and irrational trend. To Gall’s credit, he dropped out when he saw that the hype was getting out of hand, and spent the rest of his life as a medical practitioner. By that time, devoted fans of his methods had already started stealing skulls or parts of skulls out of celebrities’ graves to determine what makes great people great. For better or for worse, an important branch of psychology developed in the murky atmosphere set by phrenology. This field, neuropsychology, is the science that examines the relationship between mental phenomena and brain function.

    And this brings us to this day: thousands of neuroscientists are using neuroimaging methods, such as functional magnetic resonance imaging (fMRI), to look at brain function in humans and animals. Their goal is to find neural mechanisms underlying perception, cognition, and emotion – both during typical functioning and in relation to mental illness or dysfunction. So why are some people calling this modern phrenology?

    Part of the conflict centers around the notion of neuroimaging results being inherently correlational. That means that we see areas “lighting up” on our screen during different experiments, without inferring any deeper meaning from it. You may have heard of the amygdala, often called the “fear center” of the brain, which is reliably activated when we’re afraid. Or you might remember the fusiform face area, which was referenced in a scene in the latest James Bond movie “Spectre”, and which is active during the perception of faces. The activity of each of these areas during specific tasks can be made visible on an fMRI scan. When taken at face value, the colorful blobs on the resulting images might just become the new phrenologic maps, and we are none the wiser.

    Spectre (2015)

    However, there are several reasons why fMRI is more complex, and can be held up to a rigorous scientific standard. One way to do this is methodological convergence: neuroimaging experiments often turn up regions that we already knew about from other levels of investigation. That means that data from lesion studies, animal models, or stroke patients might all point to a brain area that has been identified using neuroimaging. Additionally, different neuroimaging methods are able to look at very different properties of the brain, such as oxygen consumption, blood flow, electrical response, gray matter volume, white matter fiber connections, and much more.

    Furthermore, not only can we manipulate our experiment to see how this affects brain activation, but also vice versa. Using techniques like transcranial magnetic stimulation (TMS) , we can manipulate brain activation directly and specifically to see how this changes behavior or perception. TMS is a tool that uses magnetic fields to induce electricity in a specific area of the brain and to activate them, essentially controlling their firing behavior. For example, activating neurons in the hand area of your somatosensory cortex will make your hand twitch, as this part of the brain is tasked with controlling muscle movement.

    Of course, it would be possible to use neuroimaging in a way that resembles the phrenological guessing-game: using MRI scans, we could now look at the volumes of different brain structures, just like we could look at skulls.

    In a badly designed experiment, we could still end up over-interpreting individual differences in a way that would echo the things that my great-grandfather might have heard when sharing a beer with his odd physician neighbor.

    But the modern neuroscience community has set up systems to avoid these pitfalls. Methods are being added and refined as I am writing this, and reviewers demand precise methodological explanations and replications to ensure accuracy. Part of this has always been the case: rigorous peer review (challenging the methods and assumptions of a study before it is published) has been around longer than neuroimaging research. But recent years have also seen innovative new solutions for weeding out bad results. For example, independent research groups invest time and expertise to identify technical or conceptual issues in the methods used by other researchers. In addition, some reviewers now demand the pre-registration of studies, to ensure that research hypotheses cannot be made up after the fact. Even more striking, it is now possible to publish full neuroimaging data sets in a way that allows others to replicate an entire analysis.

    As neuroimaging tools become even more refined, the research community keeps track by implementing more quality control measures. Today, as in the past, unjustified hype for scientific results is usually something that is supported less by scientists in general, and more by people who like to see their own expectations and biases confirmed by what they consider to be science.

    Neuroimaging works best if it gives us insight into the neural mechanisms behind our everyday thoughts, dreams, and perceptions. It works best when it tells us about underlying processes that determine whether we’re asleep, or distracted, or in pain – and it might even give us insight into new diagnostics and new treatments.

    So, is neuroimaging just modern phrenology? No. But, just like neuroscience can tell us about our brain, the history of phrenology can tell us about ourselves, and how to guard against false assumptions.

    Image by Huixuan Liang

  • Ist Neuroimaging nur moderne Phrenologie?

    Übersetzt von Jens Foell und Sophie Fessl

    Der Begriff der Phrenologie ist dir wahrscheinlich bereits begegnet, vermutlich im Kontext von Pseudowissenschaft und Rassismus. Oder vielleicht hast du den Begriff in Diskussionen über Quentin Tarantinos Film Django Unchained gehört, in Bezug auf die eigenartige Szene mit Leonardo DiCaprio und dem Schädel.

    Django Unchained (2013)

    Was also ist Phrenologie? Und wieso sagen manche, dass die modernen bildgebenden Methoden in den Neurowissenschaften (die auch Neuroimaging genannt werden und unter anderem auch fMRT umfassen) dasselbe wie Phrenologie sind?

    Ich habe einen etwas ungewöhnlichen persönlichen Bezug zum Konzept der Phrenologie: meine Familie stammt aus der kleinen Stadt Tiefenbronn in Süddeutschland, in der diese Form der Pseudowissenschaft entstand. Genauer gesagt, wurde ihr Erfinder Franz Joseph Gall 1758 dort geboren. Bis heute sind sowohl die längste Straße der Stadt, als auch die lokale Apotheke, nach Dr. Gall benannt.

    Die lokale Apotheke (Emma Peikert)

    Außerdem verwende ich Neuroimaging für den Großteil meiner Arbeit. Die Idee, dass mein bevorzugter Forschungsansatz nur eine Erweiterung einer rassistischen Ideologie ist, die quasi im Hinterhof meiner Familie entwickelt wurde, betrifft mich also sozusagen auf mehreren Ebenen.

    Phrenologie begann mit einer einfachen Idee: Gall war Arzt, ihn faszinierte das menschliche Gehirn. Richtigerweise nahm er an, dass das Gehirn der Sitz aller geistigen Funktionen sei. Außerdem stellte er die Hypothese auf, dass verschiedene Persönlichkeitseigenschaften alle an bestimmten Punkten im Gehirn verankert seien – was auch weitgehend richtig ist.

    Phrenologie war nie Wissenschaft – auch nicht im 19. Jahrhundert.

    Das, allerdings, ist bereits der Punkt, an dem die Fakten endeten und das Ratespiel begann. Zunächst postulierten Gall und andere Phrenologen 27 verschiedene messbare geistige Eigenschaften (wie Vorsicht, Hoffnung, oder Verwunderung), die nie wissenschaftlich untersucht worden waren.
    Niemand untersuchte diese Eigenschaften rigoros. Stattdessen wurde einfach angenommen, dass sie solide, aussagekräftige Konstrukte wären. Zweitens waren Gall und seine Kollegen an der Form des Gehirns interessiert, konnten allerdings nur die Form des Schädels messen und nahmen an, dass diese identisch mit der des Gehirns ist – oder zumindest ähnlich genug. Keine dieser Annahmen hält dem wissenschaftlichen Stand von heute, oder auch von damals, stand. Phrenologie war nie Wissenschaft – auch nicht im 19. Jahrhundert.

    Die grundlegende wissenschaftliche Methode war in Galls Zeit bereits dieselbe wie heute.

    Diese Kombination an Annahmen war das Rezept für ein Desaster: Phrenologie wurde zu einem Hype. Sammler maßen tausende Schädel und suchten nach Mustern die in Wirklichkeit nichts mit Persönlichkeitszügen zu tun haben. Wenn die Geschichte anders verlaufen wäre, wäre Phrenologie vielleicht ähnlich wie Astrologie geworden: eine eigenartige, immer noch populäre Spielerei, geboren aus dem Wunsch, mehr über die menschliche Persönlichkeit zu erfahren, indem nach völlig unabhängigen natürlichen Mustern gesucht wird.

    Stattdessen wurde es sehr rasch bösartig: vermeintliche Unterschiede zwischen Ethnien wurden übertrieben und als Entschuldigung verwendet, um weiße Vorherrschaft zu rechtfertigen. Einer der Gründer der modernen Kriminologie, Cesare Lombroso, baute auf der Phrenologie auf und argumentierte, dass manche Menschen bereits gefährlich zur Welt kämen und anhand der Form ihres Schädels identifiziert werden könnten.

    Phrenologie traf schon immer auf gewisse Skepsis in der etablierten wissenschaftlichen Gemeinschaft. Die grundlegende wissenschaftliche Methode war in Galls Zeit bereits dieselbe wie heute. Ein wichtiger Teil dieser wissenschaftlichen Methode ist die Vorsicht vor der Überinterpretation von Scheinkorrelationen. Dieser Begriff beschreibt statistische Beziehungen, die entweder nicht bedeutungsvoll sind oder durch etwas anderes als eine zugrundeliegende Verbindung verursacht werden. Zum Beispiel korrelieren die durch ein Feuer entstandenen Schäden mit der Zahl an Feuerwehrleuten, die zur Stelle waren. Allerdings bedeutet das nicht, dass die Feuerwehrleute den Schaden verursachten. Stattdessen hängen beide Variablen mit einer Ursache zusammen – in diesem Fall mit der Schwere des Feuers selbst. Ein extremes Beispiel für statistische Zusammenhänge, die aber keine grundlegende Verbindung haben, ist etwa die folgende Beobachtung: Je mehr Filme Nicolas Cage in einem bestimmten Jahr herausbringt, desto mehr Menschen ertrinken in Schwimmbädern.

    Phrenologie wurde irgendwann weniger beliebt und wird heute – zu Recht – als ein irrationaler Trend angesehen. Man muss Gall zugutehalten, dass er ausstieg, als er sah, wie der Hype aus dem Ruder lief. Den Rest seines Lebens verbrachte er als praktizierender Arzt. Aber zu dieser Zeit hatten treue Fans seiner Methoden bereits begonnen, Schädel oder Schädelteile aus den Gräbern berühmter Personen zu stehlen. Daran wollten sie feststellen, was großartige Menschen groß macht. Damit endete die Geschichte der Phrenologie, aber die Untersuchung der Beziehung zwischen mentalen Phänomenen und Hirnfunktionen ging weiter und heißt heute Neuropsychologie. Ein wichtiger Zweig der Psychologie entwickelte sich also aus einer undurchsichtigen, von Phrenologie geprägten Atmosphäre.

    Und das bringt uns zum heutigen Tag: Tausende NeurowissenschaftlerInnen verwenden bildgebende Methoden oder Neuroimaging, wie die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), um die Gehirnfunktionen von Menschen und Tieren zu untersuchen. Ihr Ziel ist es, neuronale Mechanismen zu finden, die Wahrnehmung, Kognition und Emotion zugrunde liegen – und zwar sowohl wie sie im Normalzustand funktionieren, als auch bei geistigen Erkrankungen oder Störungen. Wieso also nennen manche Menschen das “moderne Phrenologie”?

    Ein Teil des Konflikts dreht sich darum, dass viele Ergebnisse des Neuroimaging gezwungenermaßen korrelativer Natur sind. Das bedeutet, dass wir Gehirnbereiche auf unserem Bildschirm in verschiedenen Experimenten “aufleuchten” sehen, ohne dass wir daraus auf eine tiefere Bedeutung schließen können: vielleicht hast du schon mal von der Amygdala gehört, die oft als “Angstzentrum” des Gehirns bezeichnet wird. Sie wird verlässlich dann aktiviert, wenn wir uns fürchten. Oder du erinnerst dich vielleicht an die Fusiform Face Area. Diese Gehirnregion wurde im letzten James Bond Film “Spectre” erwähnt und ist aktiv, wenn wir Gesichter wahrnehmen. In einem fMRT-Scan können wir sehen, wie diese Gehirnregionen während einer bestimmten Aufgabe aktiv werden. Wenn wir das für bare Münze nehmen, können die bunten Tupfen auf den entstehenden Bildern einfach zu neuen phrenologischen Karten werden, und wir sind dabei um nichts schlauer geworden.

    Spectre (2015)

    Aus mehreren Gründen allerdings ist fMRT komplexer, und entspricht einem rigorosen wissenschaftlichen Standard. Ein wichtiger Grund hierfür ist die methodologische Konvergenz: Neuroimaging-Experimente identifizieren oft Regionen, über die wir durch andere Untersuchungen bereits Bescheid wissen. Daten aus Untersuchungen von Läsionen, Tiermodellen oder Schlaganfall-PatientInnen deuten dann zum Beispiel alle auf einen Gehirnbereich hin, der auch mit Neuroimaging identifiziert wurde. Außerdem können unterschiedliche Neuroimaging-Methoden sehr unterschiedliche Eigenschaften des Gehirns untersuchen, wie etwa Sauerstoffkonsum, Durchblutung, elektrische Potentiale, Volumen der grauen Materie, Verbindungen durch weiße Materie, und viele mehr.

    Wir können nicht nur unsere Experimente so gestalten, dass wir sehen, wie sie die Gehirnaktivierung beeinflussen, sondern auch anders herum: mittels Techniken wie der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) können wir die Gehirnaktivität direkt beeinflussen und sehen, wie dies das Verhalten oder die Wahrnehmung ändert. TMS verwendet Magnetfelder, um Elektrizität in einem bestimmten Areal des Gehirns zu induzieren und es auf diese Weise zu aktivieren. Wenn hierdurch etwa Neuronen im Handbereich deines somatosensorischen Kortex aktiviert werden, beginnt deine Hand zu zucken, denn dieser Bereich des Gehirns kontrolliert Muskelbewegungen.

    Natürlich kann man Neuroimaging so verwenden, dass es dem phrenologischen Ratespiel ähnelt: mit MRT-Scans können wir uns das Volumen unterschiedlicher Gehirnregionen ansehen, genauso wie sich die Phrenologen Schädelformen ansehen konnten.

    In einem schlecht designten Experiment könnten wir individuelle Unterschiede immer noch so überinterpretieren, dass sie den Schlussfolgerungen ähneln, die mein Urgroßvater bei einem Bier von diesem eigenartigen Arzt aus der Nachbarschaft gehört haben könnte.

    Aber die moderne Neurowissenschaft hat Systeme etabliert, um diese Fallstricke zu vermeiden. Methoden werden konstant erweitert und überarbeitet und Reviewer verlangen präzise methodologische Erklärungen und Replikationen, um die Richtigkeit von Befunden zu gewährleisten. Teile davon waren immer schon der Fall: rigoroses Peer Review (das die Methoden und Annahmen einer Studie untersucht, bevor diese öffentlich erscheint) gibt es schon länger als die Forschung mittels Neuroimaging. Die letzten Jahre haben aber zunehmend innovative Lösungen hervorgebracht, um schlechte Resultate auszusondern. Zum Beispiel investieren unabhängige Forschungsgruppen Zeit und Expertise darin, technische und konzeptionelle Probleme in den Methoden anderer ForscherInnen zu identifizieren. Außerdem verlangen manche Reviewer jetzt die Vorregistrierung von Studien, um sicherzustellen, dass Forschungshypothesen nicht erst nach der Durchführung der eigentlichen Studie aufgestellt werden. Davon abgesehen ist es heute möglich, den gesamten Datensatz einer Neuroimaging-Studie so zu publizieren, dass andere ForscherInnen die gesamte Analyse replizieren können.

    Während die Werkzeuge des Neuroimaging immer weiter verfeinert werden, hält die Forschungsgemeinschaft mit und implementiert mehr Maßnahmen, um die Qualität der Studien zu sichern. Heute, wie auch in der Vergangenheit, wird ungerechtfertigter Hype um wissenschaftliche Ergebnisse eher weniger von WissenschaftlerInnen generell unterstützt als von Menschen, die ihre eigenen Erwartungen und Vorurteile durch das gestützt sehen, das sie als Wissenschaft betrachten.

    Neuroimaging funktioniert dann am besten, wenn es uns Einblicke in die neuronalen Mechanismen hinter unseren alltäglichen Gedanken, Träumen und Wahrnehmungen gewährt. Es funktioniert am besten, wenn es uns über die Prozesse unterrichtet, die bestimmen, ob wir schlafen, abgelenkt sind oder uns etwas schmerzt – und es kann uns Einblicke in neue Diagnostik und neue Therapien geben,

    Also, ist Neuroimaging nur moderne Phrenologie? Nein. Aber genauso wie Neurowissenschaft uns etwas über unser Gehirn sagen kann, kann uns die Geschichte der Phrenologie etwas über uns selbst sagen und darüber, wie wir uns gegen falsche Annahmen absichern können und müssen.

    Huixuan Liang


  • Jens Foell

    Jens studied psychology at the University of Tübingen (Germany) and got his PhD in neuropsychology from Heidelberg University (Germany). His PhD study involved finding out how phantom limbs work in the brain, and how effects of phantom limb pain therapy can be measured using neuroimaging. This work later received the highest-ranking German pain research award. He is currently located at Florida State University, where he studies the components of psychopathy and other topics related to brain and behavior. He is passionate about sharing science with a wide audience and he co-founded Real Scientists DE, the German-language variant of the popular Real Scientists Twitter account, which makes the work and lives of scientists accessible to a large online audience.

Jens Foell

Jens studied psychology at the University of Tübingen (Germany) and got his PhD in neuropsychology from Heidelberg University (Germany). His PhD study involved finding out how phantom limbs work in the brain, and how effects of phantom limb pain therapy can be measured using neuroimaging. This work later received the highest-ranking German pain research award. He is currently located at Florida State University, where he studies the components of psychopathy and other topics related to brain and behavior. He is passionate about sharing science with a wide audience and he co-founded Real Scientists DE, the German-language variant of the popular Real Scientists Twitter account, which makes the work and lives of scientists accessible to a large online audience.