2.4: Técnicas no invasivas: Técnicas de Imagen Funcional Indirecta

Objetivos de aprendizaje

1. Describir las características clave de las técnicas de imagen cerebral funcional indirecta.
2. En términos básicos, describir la resonancia magnética funcional (fMRI) y la tomografía por emisión de positrones (PET).
3. Discutir los pros y los contras de FMRI y PET.

Visión general

EEG y MEG son técnicas de imagen funcional directa, ya que miden la actividad real en el cerebro. En esta sección, discutiremos qué hace que una técnica sea una técnica de imagen cerebral indirecta y se introducirán las dos principales técnicas de imagen indirecta, MRI funcional (fMRI) y tomografía por emisión de positrones (PET).

FMRI y PET

Las técnicas indirectas de imágenes cerebrales se basan en la suposición de que la actividad en el cerebro se correlaciona con otra cosa que somos capaces de medir. En estos casos, estas técnicas miden el flujo sanguíneo en el cerebro. El supuesto es que el flujo sanguíneo en el cerebro está relacionado con el nivel de actividad en esa zona del cerebro. Por supuesto, con cualquier suposición, siempre existe el riesgo de que pueda estar equivocado. Agradecidamente hay una extensa investigación que examina esta suposición y el consenso científico actualmente es que el flujo sanguíneo es una indicación apropiada de la actividad cerebral. Las dos principales técnicas indirectas de imágenes cerebrales que cubriremos son la resonancia magnética funcional (fMRI) y la tomografía por emisión de positrones (PET).

La resonancia magnética funcional (fMRI) es un método que se utiliza para evaluar los cambios en la actividad del tejido, como medir los cambios en la actividad neuronal en diferentes áreas del cerebro durante pensamientos o experiencias. Esta técnica se basa en los principios de las técnicas de resonancia magnética estructural y también utiliza la propiedad de que, cuando las neuronas se disparan, utilizan energía, la cual debe ser reabastecida. La glucosa y el oxígeno, dos componentes clave para la producción de energía, se suministran al cerebro desde el torrente sanguíneo según sea necesario. El oxígeno se transporta a través de la sangre usando hemoglobina, la cual contiene sitios de unión para el oxígeno. Cuando estos sitios están saturados de oxígeno, se le conoce como hemoglobina oxigenada. Cuando todas las moléculas de oxígeno han sido liberadas de una molécula de hemoglobina, se le conoce como hemoglobina desoxigenada. A medida que un conjunto de neuronas comienzan a disparar, se consume oxígeno en la sangre que rodea a esas neuronas, lo que lleva a una reducción de la hemoglobina oxigenada. El cuerpo luego compensa y proporciona una abundancia de hemoglobina oxigenada en la sangre que rodea ese tejido neural activado. Cuando la actividad en ese tejido neural disminuye, el nivel de hemoglobina oxigenada vuelve lentamente a su nivel original, lo que suele tardar varios segundos. La figura\(\PageIndex{1}\) muestra un sujeto a punto de entrar en una máquina de resonancia magnética funcional.

Figura\(\PageIndex{1}\): Una máquina de resonancia magnética funcional. Si bien se representa aquí con el paciente fuera del imán, para escanear al paciente, se moverían dentro del imán circular.

La fMRI mide el cambio en la concentración de hemoglobina oxigenada, la cual se conoce como la señal dependiente del nivel de oxígeno en sangre (BOLD). Esto lleva a dos hechos importantes sobre la fMRI. Primero, la fMRI mide el volumen sanguíneo y el flujo sanguíneo, y a partir de esto inferimos la actividad neural; como se indicó anteriormente, la fMRI no mide la actividad neural directamente. En segundo lugar, los datos de fMRI suelen tener una resolución temporal deficiente; sin embargo, cuando se combinan con MRI estructural, fMRI proporciona una excelente resolución espacial La resolución temporal para fMRI es típicamente del orden de segundos, mientras que su resolución espacial es del orden de milímetros. En términos generales, en la mayoría de las condiciones existe una relación inversa entre la resolución temporal y espacial; se puede aumentar la resolución temporal a expensas de la resolución espacial y viceversa. En otras palabras, a medida que uno aumenta el otro disminuye.

Este método es valioso para identificar áreas específicas del cerebro que están asociadas con diferentes tareas físicas o psicológicas. Clínicamente, la fMRI puede ser utilizada antes de la neurocirugía con el fin de identificar las áreas cerebrales que están asociadas con el lenguaje para que el cirujano pueda evitar esas áreas durante la operación. La fMRI permite a los investigadores identificar patrones diferenciales o convergentes de activación asociados a tareas. Por ejemplo, si a los participantes se les muestran palabras en una pantalla y se espera que indiquen el color de las letras, ¿se reclutan las mismas áreas cerebrales para esta tarea si las palabras tienen contenido emocional o no? ¿Esta relación cambia en trastornos psicológicos como la ansiedad o la depresión? ¿Existe un patrón diferente de activación incluso en ausencia de diferencias obvias de rendimiento? La fMRI es una excelente herramienta para comparar la activación cerebral en diferentes tareas y/o poblaciones. La Figura\(\PageIndex{2}\) proporciona un ejemplo de resultados de análisis de fMRI superpuestos en una imagen de MRI estructural. Las formas azul y naranja representan áreas con cambios significativos en la señal BOLD, por lo tanto, cambios en la activación neuronal.

Figura\(\PageIndex{2}\): Ejemplo de análisis de fMRI superpuestos sobre una imagen de SMRI. El área 1 (naranja) indica un aumento en la señal BOLD, y el Área 2 (azul) indica una disminución en la señal BOLD. Inferimos que la actividad neuronal aumentó en el Área 1 y disminuyó en el Área 2.

La tomografía por emisión de positrones (PET) es una técnica de imagen médica que se utiliza para medir procesos en el cuerpo, incluido el cerebro (ver Figura\(\PageIndex{3}\) para un escáner PET). Este método se basa en un átomo trazador emisor de positrones que se introduce en el torrente sanguíneo en una molécula biológicamente activa, como glucosa, agua o amoníaco. Un positrón es una partícula muy parecida a un electrón pero con una carga positiva. Un ejemplo de una molécula biológicamente activa es la fludesoxiglucosa, que actúa de manera similar a la glucosa en el cuerpo. La fludesoxiglucosa se concentrará en áreas donde se necesita glucosa, comúnmente áreas con mayores necesidades metabólicas (energéticas). Con el tiempo, esta molécula trazadora emite positrones, los cuales son detectados por un sensor. La ubicación espacial de la molécula trazadora en el cerebro se puede determinar en función de los positrones emitidos. Esto permite a los investigadores construir una imagen tridimensional de las áreas del cerebro que tienen las mayores necesidades metabólicas, típicamente las que son más activas. Las imágenes resultantes de PET suelen representar la actividad neuronal que se ha producido durante decenas de minutos, lo que es muy mala resolución temporal para algunos fines. Las imágenes PET a menudo se combinan con imágenes de tomografía computarizada (TC) para mejorar la resolución espacial, tan finas como varios milímetros. Los trazadores también se pueden incorporar en moléculas que se unen a los receptores de neurotransmisores, lo que permite a los investigadores responder algunas preguntas únicas sobre la acción de los neurotransmisores. Desafortunadamente, muy pocos centros de investigación cuentan con el equipo necesario para obtener las imágenes o el equipo especial necesario para crear las moléculas trazadoras emisoras de positrones, que normalmente necesitan ser producidas in situ.

Figura\(\PageIndex{3}\): Un escáner PET.

Uso de técnicas de imagen funcional indirecta para estudiar un trastorno: trastorno del espectro autista

Los estudios PET y fMRI de TEA han encontrado diferentes niveles de actividad neuronal en la amígdala y el hipocampo en comparación con sujetos sin TEA. Estas áreas son notables porque son parte del “cerebro social”. Estos estudios se han centrado en gran medida en pacientes con TEA cuando están viendo rostros. Como la visualización de rostros es una gran parte de socializar (por ejemplo, leer expresiones y hacer contacto visual) y socializar es un área donde muchos pacientes autistas tienen problemas, estos estudios ayudan a proporcionar más información para que los médicos e investigadores la utilicen. (Ver Philip et al. (2012) para una revisión de los estudios de fMRI de TEA.)

Resumen

El uso de técnicas de imagen funcional indirecta ha permitido a investigadores y médicos ver qué partes del cerebro están activas durante diversas tareas. Tanto la IRMf como la PET permiten a los investigadores medir el flujo sanguíneo con el fin de sacar conclusiones sobre los cambios en la actividad cerebral. Estas técnicas tienen una excelente resolución espacial, pero una resolución temporal deficiente.

Referencias

Philip, R. C. M., Dauvermann, M. R., Whalley, H. C., Baynham, K., Lawrie, S. M., & Stanfield, A. C. (2012). Una revisión sistemática y metaanálisis de la investigación fmri de Trastornos del Espectro Autista. Revisiones de Neurociencia y Bioconductual, 36 (2), 901—942.

Atribuciones

• Métodos Psicofisiológicos en Neurociencia por Zachary Infantolino y Gregory A. Miller está licenciado bajo una Licencia Internacional CC BY-NC-SA 4.0.
• Figura\(\PageIndex{1}\): “Enfermedades Neurodegenerativas y Cognición” de Berkeley Lab está licenciado bajo CC BY-NC-ND 2.0
• Figura\(\PageIndex{3}\): “El Departamento de Medicina Nuclear del NMCSD realiza PET Scan” es de dominio público