Mapeando el cerebro


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Desde nuestros orígenes, los humanos nos hemos caracterizado por tener una gran curiosidad por el mundo que nos rodea pero también por comprender el propio “mundo” que  nos constituye, i.e., nuestro cuerpo. Las antiguas civilizaciones, además de plantearse preguntas sobre el universo, se preguntaban e indagaban lo que da origen a nuestros pensamientos y a todo nuestro ser, preguntas como ¿dónde reside el alma?, ¿qué o quién controla los pensamientos y nuestros actos?. Estas y muchas otras preguntas llevaron a filósofos de la antigüedad a inferir que el órgano más importante es nuestro cerebro; imaginemos por un instante que estamos en la guerra de Troya, podemos ver heridos por todos lados, un soldado tirado en el suelo recién herido por un hoplita en la pierna, otro por allá sin un brazo, otra más suplicando muerte herido en el tórax  y un último completamente muerto aplastado por un carruaje, el cual había destruido el cráneo de una pisada de caballo.  Excepto por el tobillo del veloz Aquiles,  las heridas sólo eran letales cuando eran hechas en zonas críticas del cuerpo como el corazón o la cabeza, alguien podría seguir viviendo de manera relativamente normal aunque perdiera una mano o pierna mientras que si alguien era dañado en la parte de la cabeza moría o sufría daños que podrían cambiar drásticamente su conducta, dejando de ser ellos mismos. Lo anterior llevo a concluir que el cerebro debe realizar una función muy importante para nuestro ser.

Desde entonces, y en todas las épocas, escritores, pintores, filósofos y científicos se han interesado por el cerebro, tratando de entenderlo desde distintos puntos de vista. A lo largo de la historia se ha tratado de inferir por muy variados métodos qué funciones realiza el cerebro y la localización que relacione estructura-función; en esa búsqueda René Descartes concluyó erróneamente que la hipófisis es el centro del alma y en esa misma búsqueda por localizar el alma, Da Vinci nos regaló excelsos bocetos del sistema nervioso central.

¿Cómo funciona el cerebro? ¿Qué partes están encargadas de controlar nuestros movimientos? ¿Qué hace que unas personas no perciban el mundo de la misma manera en que la mayoría la hacemos? ¿Qué áreas del cerebro están activas cuando vemos a la persona que amamos o cuáles cuando escuchamos nuestra fuga favorita de Bach? ¿Qué pasa en el cerebro cuando dormimos, o mejor aún cuando soñamos? ¿Qué ocurre en el cerebro cuando una persona tiene una enfermedad como Parkinson o Alzheimer? ¿Qué áreas del cerebro están activas cuando jugamos Mario Bros? En la actualidad estas  y muchas otras preguntas son cuestiones que la neurociencia trata de descifrar, para lo cual utiliza tecnología que fusiona diversas áreas como las matemáticas, física, química, biología, medicina y computación.

Aunque existen muchas herramientas que son utilizadas para inferir funciones in vivo del cerebro, nos enfocaremos en algunas técnicas tomográficas. La palabra tomografía deriva del griego τομή, que significa «corte» y γραφή, «descripción»; por lo tanto una tomografía del cerebro es un conjunto de imágenes que sumadas representan un cerebro en tercera dimensión como lo muestra la figura 1.

Las diferentes técnicas tomográficas nos dan información distinta del cerebro, algunas son mejores para localizar ciertas estructuras y otras son capaces de obtener imágenes relacionadas con procesos metabólicos que se están llevado a cabo en cierto momento, por lo anterior es muy común fusionar dos técnicas para localizar estructura y relacionarla con alguna función.

FIGURA 1
Figura 1. Corte sagital de imagen obtenida mediante imagen por resonancia magnética.

Localizando estructura y función del cerebro por medio de tomografías y  resonancia magnética

A continuación se describe de manera breve algunas de las técnicas más usadas a nivel clínico y de investigación.

Tomografía axial computarizada (TAC). Esta técnica utiliza rayos Röntgen (rayos X) para crear una imagen. Los rayos X que genera el aparato son colimados e inciden sobre el paciente, los sitios de mayor densidad (como cráneo) dejaran pasar menos energía que sitios menos densos (como cerebro) creando así un gradiente de energía que es captada por medio de detectores  en el extremo opuesto de donde son emitidos, así imágenes tomadas en distintos ángulos sirven para reconstruir una imagen en 3D. Esta técnica presenta buen contraste entre materia ósea y musculatura por dicho motivo la TAC es comúnmente usada como imagen de referencia anatómica debido a que es relativamente económica, rápida y fácil de adquirir.

Tomografía por emisión de positrones (PET). Esta técnica es costosa debido a que los radiofármacos usados para generar una imagen llevan marcadores que tienen que ser producidos con un acelerador de partículas  tipo ciclotrón el cual crea un haz de alta energía de partículas cargadas que inciden en un elemento para generar un emisor de positrones. Un positrón es la antipartícula del electrón, teniendo la misma masa pero carga contraria y al fusionarse electrón-positrón toda la masa se transforma en energía siguiendo la ecuación de Einstein E = mc2 (E = energía, m = masa y c = velocidad de la luz) generando dos rayos gamma a 1800 los cuales serán detectados en la cámara PET y por medio de algoritmos matemáticos se obtendrá una imagen de los sitios donde se están llevando las desintegraciones.

En resumen, el principio del PET es el siguiente: se inyecta un fármaco marcado radiactivamente con un emisor de positrones (radiofármaco) al sujeto, el radiofármaco se acumulara en una región de interés donde decaerá emitiendo rayos gamma los cuales son detectados por una cámara PET. El radiofármaco más usado a nivel clínico se llama 18F-FDG, es una glucosa marcada que se acumula más en aquellas células que tienen un mayor requerimiento energético. Por ejemplo, cuando alguien tiene cáncer, las células situadas en el tumor tienen un mayor gasto energético (pues se están reproduciendo a una tasa mayor de lo normal) entonces ahí se acumula el radiofármaco y se obtiene una imagen en la cual se tiene mayor señal en el sitio del tumor y así es posible localizarlo.

Existen radiofármacos que son específicos para ciertas regiones del cerebro, debido a que tienen afinidad por cierto tipo de células o de receptores. Un ejemplo es el radiofármaco 11C-DTBZ el cual tiene afinidad por la vesícula transportadora de monoaminas tipo 2  (VMAT2) la cual se encuentra en neuronas dopaminérgicas. Se sabe que estas neuronas están disminuidas en la enfermedad de Parkinson así que este radiofármaco captará poco en personas con esa enfermedad y mucho en sujetos sanos, pudiendo así distinguir entre personas sanas y enfermas. La figura 2 muestra una fusión de imagen PET-CT usando el radiofármaco DTBZ el cual tiene una mayor fijación en cuerpo estriado (rojo).

Esta técnica tiene una resolución espacial de unos 3-4 mm y obtener un estudio tarda desde 20 hasta 90 minutos dependiendo del radiofármaco y del protocolo que se este utilizando.

FIGURA 2
Figura 2. Reconstrucción 3D de fusión de tomografía axial computada y tomografía por emisión de positrones usando el radiofármaco 11C-DTBZ.

Resonancia magnética: En esta técnica el sujeto es introducido en un intenso campo magnético (comúnmente de 1.5 a 3 teslas, aunque existen de 7). En el núcleo de los átomo, los protones tienen un movimiento de giro (que los físicos llaman spin) que genera un campo magnético, en presencia de un campo magnético los protones tienen una orientación preferencial (como una brújula se orienta siempre al norte con el campo magnético terrestre). Si se aplica energía a esos protones por medio de una radiofrecuencia se reorientarán, al dejar de aplicar la radiofrecuencia los protones volverán a orientarse al campo magnético liberando energía. No todos los protones se reorientan al mismo tiempo algunos lo hacen más lento que otros dependiendo de lo que estén constituidos y de la densidad de protones que esté a su alrededor, “medir ese tiempo” permite reconstruir una imagen. Esos tiempos son llamados T1 y T2, con variaciones se pueden obtener distintas imágenes dependiendo de lo que se quiera observar. La resonancia magnética es la técnica que mejor resolución espacial tiene (0.5-2 mm) y su adquisición es relativamente rápida (unos cuantos minutos).

Resonancia magnética funcional

Cuando realizamos un proceso cognitivo determinado, las áreas del cerebro involucradas en el proceso requieren mayor energía, ese gasto de energía conlleva a mayor oxigenación de la célula o desoxigenación de la sangre la cual tiene propiedades magnéticas distintas que son detectadas por el resonador y así se reconstruye una imagen siguiendo el mismo principio de reorientación explicado anteriormente.

Un ejemplo simple de lo anterior es poner dentro del resonador a una persona a  hablar 5 segundos y callarse 5 segundos muchas veces, si contrastamos las imágenes de cuando el sujeto hablaba y “las restamos” de las que permanecía en silencio, se obtendrán imágenes de las áreas involucradas en el proceso de hablar. Ese es el principio, comparar imágenes en dos estados: sueño-vigilia, movimiento-paralizado, viendo imágenes de un tipo vs imágenes de otro tipo, enojado-alegre, etc. Con esta técnica se pueden inferir áreas involucradas en ciertos procesos cognitivos y también la relación que existe entre dichas áreas, la figura 3 muestra las áreas involucradas en el proceso del agua superpuestas a una imagen anatómica.

FIGURA 3
Figura 3. Cortes coronal, sagital y transversal de fusión de imágenes por resonancia magnética funcional y anatómica en una tarea de lenguaje, las áreas rojas y amarillas son áreas involucradas en procesos del habla.

Como no siempre es posible estudiar las enfermedades directamente en humanos, modelos de animales son usados para probar la eficacia de un nuevo fármaco, la evolución de la enfermedad o cualquier cosa que ayude a tener un mejor entendimiento de los procesos cognitivos que sean de utilidad para encontrar alternativas para el tratamiento de las enfermedades en humanos. En la figura 4 se muestra una rata en un microPET acompañada de la imagen que se obtiene al ser inyectada con un radiofármaco especifico para células dopaminérgicas.

FIGURA 4
Figura 4. Iz. Estudio de rata en un MicroPET y Der. Imagen 3D de Tomografia por emisión de positrones de rata inyectada con un radiofármaco con afinidad a neuronas del cuerpo estriado(11C-DTBZ).

Aunque la neurociencia ha explicado y respondido algunas de las preguntas sobre el comportamiento de nuestro cerebro, el camino por recorrer aún es muy largo. Cada día miles de especialistas en el mundo aportan un poquito a este conocimiento global que llamamos ciencia, tratando de responder las mismas preguntas que nuestros antecesores ¿qué somos y cómo funcionamos?.  Quizás nunca se respondan esas preguntas pero en el camino vamos creando tecnología  y conocimiento que ayuda a elevar la calidad de vida de la humanidad al tener un mejor entendimiento de la condición humana.

 
 

1 comentario en «Mapeando el cerebro»

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