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研究造假與科學假說的可證偽性有關嗎?

活躍星系核_96
・2014/11/26 ・2545字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

撰文者/艾俠(自由文字工作者)

交通大學教授黃國華教授與其助理在國際期刊「Nature Nanotechnology」上發表的研究受質疑造假、歷經一年的調查卻得到作者諸多不合理的回應,這是近日國內最受矚目的科學新聞[1][2]。在針對論文作者的抨擊中,朱敬一、牟中原、孫以瀚三位學者聯名發表了「研究造假 一句『資料丟了』就卸責?」一文,以哲學家 Karl Popper 提出的科學要件「可證偽性」(falsifiability),指實驗細節交代不清的研究無法被重現,不能被稱為科學。

不過,我覺得這聽起來怪怪的——研究造假真的與科學假說的可證偽性有關嗎?在這篇文章裡,我希望能夠藉由更深入地討論可證偽性的觀念,來檢視這個問題。

《The Black Swan》,1896, by William Degouve de Nuncques
《The Black Swan》,1896, by William Degouve de Nuncques

哲學普及作家朱家安在「從學術醜聞到科學精神:科學哲學能幹嘛?」一文中補充了可證偽性的細節,並且試圖解釋它和此一事件的關係。朱家安對可證偽性(亦作「可否證性」)的解說相當地簡明易懂,在這裡我引用他的解釋,朝另一方向說明此一概念:

物理學和占星術有什麼不一樣?

對於這個問題,Popper給的答案是:科學假說具備可否證性,非科學假說則沒有。這裡的「可否證性」,並不是說科學假說都是錯的,或者都有瑕疵,而是強調:

每一則科學假說,都必須保有這樣的可能性:
當特定的證據出現,這則假說就被推翻。

科學是一種藉由比對證據來判斷假說是否可信的方法。如果有個假說不可能經由任何的比對而被判斷為是錯的,這意味著比對證據對它來說沒有科學上的意義;這樣的假說就不能被稱作是科學假說。必須強調的是科學方法並不是唯一有價值的研究方法,然而當有人試圖像科學家那樣解釋現實世界,但又不打算在任何反面證據出現時承認錯誤,我們就會說他是在做偽科學。

「可證偽性」的簡化與實用

在舉可證偽性的正面例子時,我們經常會使用一些能用一句或數句話說完的「假說」,例如「所有天鵝都是白的」、「在地表,把手放開,雞蛋總是會墜落」,其中每一句話的每一要素都是可直接觀察的(我們把這種句子叫做「觀察語句」[3];每個觀察語句都能對應到一種具體的檢驗方法)。這種「假說」展示出了一種重要性質:嚴格來說,只有能直接觀察的東西是可證偽的

當「假說」是以觀察語句一次寫出全部內容的方式書寫時,它一定是可證偽的。

然而,如果我們翻出一些實例來看,會發現幾乎沒有真正的科學假說是用這種方式板上釘釘地寫在那裡。科學既然是為了深入探究我們所不知道的東西,那麼理所當然地不會問一些顯而易見的事情。科學假說通常會討論一些不能直接看到的東西例如基因、重力、物質波;接著,我們總是會用某個核心觀念來表達整個假說,例如「真空中的光速在任何參考系下是恆定不變的」之類,然後再考慮它技術性的細節、可能用什麼方式檢驗。

這和直接用觀察語句寫成的「假說」有很大的不同嗎?在這裡,有的。這種應用上有價值的假說如何檢驗,很大程度要看相關學術社群的習慣;而當我們說某假說不可證偽時,通常就是在抱怨那些人的習慣,使它無法合理地對應到可預期的檢驗方法。這代表的有時候是例如社群主張不存在能夠檢驗的方法,有時候是例如沿用朱家安的舉例:占星師是一群很會找理由的人,被反駁了會馬上找出新的說法。可證偽性在現實狀況中,通常不面對一個已明確敘述了檢驗方式的假說,而是把相關社群的傳統看作假說的一部分。在這裡,我們也能窺見可證偽性不足以真正用來分辨科學與偽科學的原因之一:我們總是會涉入那些極具複雜性的社群問題,而難以拿出具體的檢驗方式來判斷。

「逃避責任」與「偽科學」的距離

可證偽性的介紹就到這裡,接下來回頭討論這次的造假疑案。為了了解三位學者的說法有什麼奇怪之處,我在這裡不得不接觸一些瑣碎的語言問題。

科學(science)是什麼?這應該是所有自認為是科學家的人最最基本的常識。大哲學家 Karl Popper 有以下經典的描述:科學家提出的是「可以被證明為偽的假說(falsifiable hypotheses)」。科學家之所以要做詳細的實驗室記錄、要在論文中仔細交代每一步細節,就是要讓「別人」得以檢驗重複,或是讓別人能挑戰、證明其假說中的瑕疵。

三位學者引用可證偽性來批判這次事件,並且認為發表研究就有詳細交代實驗細節的義務。我認為上面這段話的前半和後半都沒有什麼問題,但如果在這裡,「科學假說應有可證偽性」是「研究應詳細交代細節」的理由,那就很奇怪了。前面提到,我們在討論可證偽性時,一個核心概念會和相關社群的傳統共同形成假說而被檢視;僅僅是一個研究者、甚至是提出假說者的研究態度不好、實驗過程交代不清,並不足以使假說失去構築出檢驗方法的可能性(特別是,既然這篇論文被國際知名期刊接受過,代表科學社群對它的概念有一定的接受程度);我們必須能夠指出「這個概念已經不被重視證據的人認為是可研究的」,才有辦法說:它作為一種假說已失去了可證偽性。

我認為三位學者的文章,是把「假說」與「實驗過程」混淆了。文中指出,他們憂慮發生「每位當事人都只要說『資料丟了、電腦壞了、助理跑了、過程忘了』就能卸責,那麼其假說是永遠無法『被證明為偽的』」的後果;但這時不能被證明為偽的,似乎不是研究者在期刊上所發表的假說,而是實驗的真實性。誠然,我們可以重新把「這個實驗真的在此時此刻做出這個結果」當作是一個「假說」(想想前面那種用觀察語句寫的「假說」),但它應該不會是我們抱怨某人在做偽科學時想說的事情。

結語

這篇文章起於一些和 Karl Popper 相關的討論。我們在討論中同意前述文章對可證偽性的詮釋看起來怪怪的,不過朱家安覺得很難用普及的方式說清楚(見此討論)而沒有在文中碰觸,我則在這裡補完我認為在可證偽性方面需要釐清的部分。

最後,我仍然會在這個層面上同意這三位學者的指責:對實驗細節交代不清的科學家是不負責任的——即使他真的作出了那個實驗,也沒有好理由要別人相信他——而且如果在某個學術社群之中大家都這樣做,那裡很快就會成為偽科學的溫床了。這是我們應當嚴肅看待這種研究態度的原因。

參考資料

  1. 交大教授違學術倫理 科技部「書面告誡」輕放
  2. DNA sequencing using electrical conductance measurements of a DNA polymerase
  3. 觀察詞與理論詞

本文轉載自中立之丘


 

文章難易度
活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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天文影像工具也能找腫瘤?——臺灣首創 3D 數位病理影像暨 AI 分析平臺

科技大觀園_96
・2022/01/23 ・2878字 ・閱讀時間約 5 分鐘

攝影師運用影像,留存許多珍貴的記錄,講述不少精彩的故事。但影像的力量,可不僅限於此。科學家和醫生也拍照錄像,只不過對象不是一般人事物,而是遙遠的星辰,或微小的組織細胞。而臺灣的科研團隊,更成功讓傳統病理影像突破 2D 平面限制,完整展現 3D 全貌,幫助我們看清病魔的真面目,奪得搶救性命的機會。

為什麽癌症大魔王如此棘手?

在臺灣十大死因排行榜上,癌症已蟬聯榜首將近四十年。原本安分工作的人體細胞,可能受到細菌或病毒的感染、環境中的重金屬、放射線等致癌因子的影響,走上叛變、不正常增生一途,變成惡性腫瘤——也就是癌症。癌細胞會破壞各種重要臟器,掠奪體内大部分營養,最終可能造成人體因器官衰竭、營養不良、併發症而死亡。

十大死因
109 年國人十大死因。(資料來源:衛生福利部

癌症療法中,化療是以化學藥物來毒殺癌細胞,卻因為專一性低,讓病患往往傷敵一千,自損八百。後來發展出的標靶藥物療法,雖然不會無差別攻擊,但治療效果有限,有些種類的癌症更可能出現抗藥性。狡猾的癌細胞,還會產生抑制免疫細胞活性的蛋白質,來避開免疫系統的偵察和追擊。而 2018 年獲得諾貝爾生理醫學獎的「免疫療法」,就是以投放癌細胞表現的蛋白質之阻斷劑,來維持免疫細胞的戰鬥力的突破性療法。

然而,癌細胞也不是省油的燈。它們會與周圍細胞,如血管、纖維母細胞、免疫細胞等打成一片,藉由分泌各式細胞因子,創造利於自己生長的小天地,即腫瘤微環境(Tumor microenvironment)。例如,癌細胞會在微環境促進血管新生,且具備免疫抑制能力,讓免疫細胞鎩羽而歸。這麽一來,即使是副作用較低的免疫療法,也可能無用武之地。

當醫學邂逅天文學,跨領域碰撞出新解方

目前,癌症的診斷與療程的決定,主要還是仰賴切片檢測所得到的影像。所謂的切片檢測,就像到腫瘤細胞大本營去刺探敵情,醫生藉由手術開刀、内視鏡或針筒取得檢體組織,透過這第一手的情報,來判識腫瘤型態和病情嚴重程度,才能擬定對抗癌細胞的有效戰略。

麻煩的是,顯微鏡下的切片樣本只能看見同一平面上的細胞間交互作用,組織上還有用來標示特定蛋白質活細胞的螢光染劑。要把有著會互相干擾螢光訊號的樣本影像,拼接成可以觀察細胞交互作用的三維影像,可讓腫瘤學家傷透了腦筋。不過這個難題的解方,就剛好掌握在以望遠鏡觀察無數星星的天文學家手中!

有著不同特徵的衆多天體,就像是組織中發出不同螢光訊號、數百萬計的細胞。天體在宇宙中的相對位置與相互關係,也類比於細胞間的交互作用。這般異曲同工之妙,讓美國約翰 · 霍普金斯大學的腫瘤學家和天文學家決定並肩作戰,利用天文學的影像處理工具,來建立分析腫瘤切片影像的模型,這個跨領域碰撞的研究成果——AstroPath,更在今年 6 月登上 Science 期刊。

天體
有著不同特徵的衆多天體,就像是組織中發出不同螢光訊號、數百萬計的細胞。圖/pixabaywikipedia

臺灣打造全球第一個 3D 數位病理檢驗暨 AI 分析平臺!

腫瘤學家和天文學家的跨界合作,大大提高了組織切片影像分析的效率,表現令人贊嘆。不過臺灣研究團隊跑得更前面,直接突破傳統薄切片的限制,以獨家專利取得組織完整的立體影像,還進一步藉助人工智能之力,創立全世界首個 3D 數位病理檢驗暨 AI 分析平臺!

這個實現 Taiwan No.1 的團隊,緣起於國立清華大學生科系的楊嘉鈴教授研究團隊,邀請清華大學腦科學中心江安世院士團隊、分子與細胞生物所張大慈教授團隊及清華大學腦科學中心林彥穎研究員,携手合作克服過去 3D 組織影像的技術瓶頸。透過科技部價創計劃的輔導,承接了光電、生醫、影像及 AI 各領域最先進技術的捷絡生物科技股份有限公司 (JelloX Biotech Inc.) 在 2018 年成立。

捷絡生技獨步全球的病理檢驗平臺,包含了關鍵的三大部分:(1)快速組織澄清、(2)高速影像擷取及(3)3D 人工影像智慧分析。

流程示意圖
3D 人工智慧影像分析流程示意圖。圖/捷絡生技公司

過去 3D 組織影像無法實現,最大的難點,在於無法突破組織的透光障礙。捷絡生技專利化的光學組織澄清技術,最厲害之處是讓檢體樣本不被破壞就可以「變透明」,達到清水般的穿透率。傳統樣本處理,會經過物理切片及脫水,組織結構發生形變無可避免,讓病理全貌難以被量化和標準化來進行評估。但這項獨家的組織澄清處理技術,可最大程度保存樣本原來的面貌,還能讓樣本進行重複染色,再利用於各式生物檢驗。更重要的是,不再是單一切面的樣本,讓全自動影像掃描擷取,從不可能變得可能。

把檢體樣本透明化之後,研究團隊接著以高速鐳射顯微鏡,對樣本進行全身掃描後,數位縫合平行多叠影像。只要搭配適當的染色技術,就可迅速取得比傳統檢測還多百倍資訊量的高精度 3D 腫瘤影像。這些病理組織樣本的全景 3D 細節,讓醫生可以更清楚判別癌細胞的型態、分佈與周圍細胞的交互作用。

研究團隊也沒有停留在 3D 影像產製的完善,更抓緊大數據、巨量分析的趨勢,目標是要提供 AI 自動化病理組織影像分析。研究團隊建立不同癌症的 3D 數位病理影像資料庫,讓電腦進行機器學習,透過癌組織的特徵辨識訓練,目前已可得到超過 90 % 的準確度。AI 自動化分析能克服傳統人工判讀模式潛藏的誤差(如不同判讀者的差異、視覺疲勞與檢體採樣量不足等問題),大大減輕臨床病理醫師的工作負擔,加快診斷的效率。癌症的治療,就像與死神賽跑,所以盡速決定對風險最小、成效最佳的療法,對提高病患的存活率至關重要。

未來,捷絡生技這個領先全球的 3D 數位病理檢驗暨 AI 分析平臺,預期可實際應用在檢測藥物的穿透性、篩選適合免疫療法的病患、分析腫瘤微環境等方向。不管是從美國或是臺灣的例子,都讓我們看見不同領域相互激蕩的成果,並非止步於學術象牙塔的研究,而是可以被實際應用在日常生活中的技術。

參考資料


 

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。