Representación visual de las operaciones mentales

Raichle, M. E.

Investigación y Ciencia.213, 1994

Resumen amplio del artículo

Cartografía del cerebro, tema cuestionado a lo largo de los siglos, desde filósofos como Aristóteles (s. IV a.c), pasando por teorías como la frenología, hasta llegar a las modernas técnicas de obtención de imágenes del cerebro.

En el IXX aparecieron los primeros estudios del cerebro mediante lesión experimental en animales con Jean-Pierre Flourens, también se estudiaban post-mortem cerebros humanos con lesiones o enfermedades localizadas; pero gracias al desarrollo tecnológico, hoy en día podemos ver el cerebro en acción. Es decir, captar en tiempo real imágenes de los cambios fisiológicos asociados a los procesos mentales y ver como se encienden partes muy determinadas del cerebro al realizar actividades simples o complejas.

Sabemos que tenemos neuronas especializadas en operaciones elementales, localizadas en regiones muy concretas formando una red que trabaja en conjunto para producir una conducta. Por ejemplo, leer se descompone en operaciones mentales más o menos simples: primero será reconocer las letras que forman palabras; segundo es distinguir el significado de palabras que forman frases, oraciones y por último crear las imágenes mentales oportunas. Lo importante de todo esto es saber qué regiones del cerebro se activan y cuáles se mantienen en reposo al realizar estas tareas, por ello las técnicas de formación de imágenes permiten conocer la anatomía y operacionalidad del cerebro humano normal, a la par que sirve de instrumento a la neurocirugía y aclara diferencias neurales que presentan pacientes afectados por enfermedades mentales.

Tomografía Computerizada por Rayos X, también llamada TC por Rayos X o TAC.

Técnica desarrollada por Cormack, A. M. y Hounsfield, G. ambos premio Nobel en 1979. Sobre los 70 se extendió su uso, basándose en la capacidad de los tejidos para absorber la energía de los Rayos X, cuánto más denso es el tejido u órgano más absorbe. Entonces, si un haz de RX muy concentrado atraviesa el cuerpo, saldrá del mismo en cantidades inferiores dependiendo de lo que se haya encontrado a su paso. Para obtener imágenes de tejidos humanos vivos completos, como el cerebro, era necesario dirigir desde distintos ángulos haces de RX. Para que se diese todo esto fue esencial el desarrollo de técnicas matemáticas e informáticas que permitieran procesar toda la información, lo cual hizo aventajar esta técnica frente a los RX que sólo mostraban huesos y tejidos blandos adyacentes, e incluso sirvió de gran estímulo a los científicos e ingenieros para seguir avanzando hacia mejores técnicas de obtención de imágenes.

Autorradiografía de tejidos.

Método usado en Fisiología para estudiar el Metabolismo y Circulación sanguínea e introducido por Louis Sokoloff en 1977. Hoy en día muy usado.

Método Autorradiográfico:

• Inyectar en vena compuesto marcado radiactivamente.

• Acumulación del compuesto y sacrificio del animal.

• Extracción del órgano y laminado del mismo.

• Colocación de cada corte sobre un trozo de película sensible a la radioactividad y revelado de la misma.

• Obtención de imágenes de distribución de radioactividad dentro del órgano al unir todos sus cortes y deducción de funciones específicas del mismo.

Tomografía por Emisión de Positrones (TEP)

Entre los 70 y 80 hubo un rápido desarrollo de instrumentos para el TEP, pero fue crucial la elección del radioisótopo que permitiría autorradiografíar seres humanos vivos. Se eligió una clase que emite positrones (carga +) y que al unirse a los electrones (carga -) se anulan y emiten rayos gamma. Estos rayos son detectados por dispositivos situados alrededor de la muestra, que localizan el origen del mismo. Así apareció la TEP, que medía distintas actividades cerebrales:

• Metabolismo de la Glucosa.

• Consumo de Oxígeno.

• Riego Sanguíneo.

• Interacción con fármacos.

Flujo sanguíneo indicador más fiable de la función cerebral, para medirlo, una técnica de Autorradiografía desarrollada a finales de los 40 para examinar animales de laboratorio, pero modificada para usarla en humanos.

Método modificado:

• Se inyecta agua marcada radiactivamente (Isótopo radiactivo del Oxígeno [H15O]) que al desintegrarse emite gran cantidad de positrones.

• En un minuto llega al cerebro y forma imágenes de flujo sanguíneo.

Ventajas:

• Precisión milimétrica en cambios de actividad.

• Radioactividad del agua no tiene efecto letal, vida del Oxígeno15 unos 2 minutos aproximadamente.

• Muestra desaparecida casi por completo en 10 minutos, riesgos por radiación casi nulos.

• Dosis muy bajas de marcador radiactivo permite efectuar numerosas mediciones de flujo sanguíneo en un solo estudio. Muchas imágenes en una sesión.

Método de sustracción. Donders, C. (1868),

Los procesos mentales pueden medirse mediante una lógica simple.

t de reacción (luz1) - t de reacción (luz2) = t (distinguir color)

Así consiguió aislar y medir un primer proceso mental.

Proceso actual de sustracción aplicada al TEP:

• Estado de control: TEP antes de la tarea.

• Estado de tarea: TEP durante la tarea.

• Selección exhaustiva de imágenes de cada estado y comparación.

• Objetivo: Separación e identificación de las partes del cerebro que entran en acción para las tareas u operaciones mentales.

• Prevención: Alteraciones parásitas del ambiente, mayor fiabilidad con media de respuestas obtenidas por muchos individuos o de muchas pruebas realizadas sobre la misma persona.

TEP en estudio del lenguaje.

En los inicios del estudio del lenguaje, toda la información era extraída de pacientes con el cerebro lesionado. Dos grandes personalidades como Paul Broca y Carl Wernicke marcaron el inicio sobre la forma en que el cerebro adquiere y sistematiza habilidades lingüísticas.

En 1861 Broca habla de un paciente que tenía lesionado el lóbulo frontal izquierdo y había perdido el habla (hoy Afasia de Broca). En 1874 Wernicke complementó los estudios de Broca cuando informó de personas con el lóbulo temporal izquierdo lesionado y problemas de comprensión del lenguaje.

Primera idea de organización del lenguaje en el cerebro:

Información de zonas receptoras auditivas y visuales a …

…Lóbulo Temporal Izquierdo (Área de Wernicke). Aquí, comprensión de la información y luego a …

…Lóbulo Frontal (Área de Broca). Aquí, producción del habla.

En 1988 Raichle, M. E. y colegas iniciaron un estudio para ver si lo anterior podía extrapolarse a un cerebro sano.

Objetivo: Identificar las áreas del cerebro involucradas en una operación concreta.

Método: Cuatro niveles de procesamiento de información.

• Nivel 1: TEP mientras miraban una cruz en un monitor.

• Nivel 2: TEP mientras seguían mirando el monitor pero además eran sometidos a percepción de nombres comunes por vista u oído. TEP para cada percepción.

• Nivel 3: TEP mientras repetían nombres comunes que veían o leían.

• Nivel 4: TEP mientras decían en voz alta verbo apropiado al nombre común.

• Aplicación del método de Donders.

Resultados:

N (2)-N (1)= Zonas cerebrales de percepción visual y auditiva.

N (3)-N (2)= Zonas cerebrales para producción del habla.

N (4)-N (3)= Zonas para selección de un verbo adecuado al nombre percibido. Esta de especial interés porque desvela una actividad puramente mental, libre de inputs y output.

Percepción visual: parte posterior del cerebro.

“ auditiva: lóbulos temporales.

Producción del habla: áreas motoras.

Se comprobó que si se persistía en la tarea de generar verbos, se producía una especie de entrenamiento neural y se veía cómo los circuitos neurales cambiaron por completo. La práctica no sólo perfecciona sino que modifica la organización de nuestro cerebro.

Imágenes por Resonancia Magnética (IRM) o (RM).

Técnica muy común en el diagnóstico de lesiones en tejidos. Ideal para investigaciones neurocognitivas por su velocidad en formar imágenes.

Su origen está en la Resonancia Magnética Nuclear y fue llevada hasta los hospitales por Paul. C, Lauterbur, cuando descubrió que se podían formar imágenes con la RMN detectando protones+. Con esta técnica se puede detectar el aumento del oxígeno que se produce en una zona donde la actividad neuronal aumenta. El cerebro aumenta el riego sanguíneo pero no el consumo de oxígeno, inundando los capilares que irrigan las zonas activas. Este oxígeno no es utilizado y es devuelto a la circulación general de la sangre. Sin embargo la cantidad de oxígeno que lleva la hemoglobina afecta a las propiedades magnéticas de dicha proteína y la RM podía detectar esas pequeñas fluctuaciones magnéticas.

La Resonancia Magnética funcional (RMf)

En 1991 se demostró que la IRM permitía detectar los cambios de oxigenación de la sangre en el cerebro inducidos funcionalmente.

Ventajas:

• No hay que inyectar ninguna sustancia radiactiva o de otro tipo.

• Proporciona información anatómica y funcional exacta de cada sujeto.

• Resolución espacial muy buena, milimétrica.

• Observación en tiempo real ritmo de cambio de la señal de oxígeno inducida en el flujo sanguíneo.

• Riesgos biológicos mínimos o nulos. Efectos de carácter benigno.

Inconvenientes:

• Gran diferencia de velocidades entre las señales emitidas por la actividad neuronal y los cambios de flujo sanguíneo y oxigenación de la sangre que son muy lentos.

La posibilidad de medir el tiempo que necesitan las diferentes zonas del cerebro para intercambiar información mediante IRM queda demostrado que no es posible, los únicos métodos que responden con rapidez, son las técnicas de registro eléctrico que son dos:

• Electroencefalograma (EEG): Detecta la actividad eléctrica del cerebro a partir del cuero cabelludo.

• Magnetoencefalograma (MEG): Detecta los campos magnéticos que produce la actividad eléctrica en el interior del cerebro.

Ambas técnicas están limitadas en resolución espacial y sensibilidad, además la resolución de la imagen empeora a medida que se profundiza en el cerebro.

Se prepara una combinación entre TEP, IRM y registro eléctrico como la MEG, pero el equipo es muy costoso y los recursos necesarios son muy cuantiosos.

Por lo tanto vemos que estos aparatos utilizados correctamente, nos pueden proporcionar información muy valiosa para la prevención y/o tratamiento de accidentes cerebro-vasculares, tumores, traumatismos craneoencefálicos, enfermedades mentales, etc. También se podría estudiar en profundidad actividades mentales como la atención, memoria, percepción, control motor y las emociones. Todo esto nos lleva a pensar que avanzamos hacia la comprensión plena de la conexión mente-cuerpo.

Sintetizar en cuatro o cinco frases las ideas principales.

La humanidad siempre ha tenido curiosidad por saber de donde procede la conducta humana. La ciencia es relativamente joven y en pocos años el desarrollo tecnológico en la formación de imágenes nos ha permitido ver nuestro cerebro en acción, pero esperamos poder ver más en un futuro.

¿Qué relevancia tienen las técnicas de formación de imágenes cerebrales para la neuropsicología?

Estas técnicas nos permiten captar en tiempo real imágenes de los cambios fisiológicos ocurridos en las distintas áreas cerebrales asociadas a los procesos mentales como el habla o el lenguaje, la planificación de una tarea, etc. Además de representar con toda seguridad la anatomía y operación del cerebro humano normal, podemos entender cerebros enfermos, lesionados o atacados por el paso del tiempo (demencias).

Toda la información que nos proporciona por ejemplo una TEP o una RM, nos ayudará también a comprender procesos mentales como la memoria, las emociones, el pensamiento abstracto o procesos como los motores y somatosensoriales.

¿Qué técnica inicia la era de la formación de imágenes?

La Tomografía Computerizada por Rayosx (TC por Rx o TAC).

¿Qué es la autorradiografía de tejidos? ¿Qué relación tiene con el TEP?

La autorradiografía se usa en laboratorios con animales para estudiar la circulación sanguínea, la función de ciertos órganos, el metabolismo de la glucosa, etc.

El proceso comienza con la inyección de un compuesto marcado radiactivamente y una vez acumulado en el órgano o tejido propuesto se sacrifica al animal para extraerle dicho órgano. Luego ese órgano es tratado para laminarlo en cortes muy finos, que se colocaran uno a uno sobre una película sensible a la radioactividad. Al revelar la película de todos los trozos se obtienen imágenes de la distribución del compuesto radiactivo y la posible función del tejido.

La Tomografía por Emisión de Positrones es una adaptación de la autorradiografía de tejidos, para seres humanos vivos. En ambas técnicas se inyectan compuestos marcados radiactivamente y ambas reflejan la distribución del mismo.

¿Para qué se utiliza el método sustractivo de Donders en los estudios de imagen funcional?

Para separar e identificar las partes del cerebro que entran en acción cuando realizamos un proceso mental o una tarea en particular.

Elabora un pequeño diseño para estudiar el proceso que quieras.

• Nivel 1: Los sujetos deben mirar fijamente un punto situado en el centro del televisor, mientras se toma instantáneas de la actividad cerebral por TEP. Estado de control.

• Nivel 2: Los sujetos deben seguir mirando al televisor mientras se les somete a percepciones de imágenes de animales en el mismo y por los altavoces de su alrededor escuchan sonidos de animales. Se les realizan instantáneas (TEP) tanto en el momento de percepción visual como en la auditiva. Estado de tarea.

• Nivel 3: Se pide a los sujetos que repitan los sonidos que oyen mientras se realiza la TEP. Estado de tarea.

• Nivel 4: Se les pide que pongan nombres a las imágenes que han visto y oído, que identifiquen a los animales. También se realiza durante el proceso la TEP. Estado de tarea.

Resultados:

N (2)-N (1)= Zonas cerebrales de percepción visual y auditiva.

N (3)-N (2)= Zonas cerebrales para producción del habla.

N (4)-N (3)= Zonas para selección del nombre correcto del animal.

Haz un esquema con las diferencias y semejanzas entre la TAC, TEP, RM y RM funcional.

SEMEJANZAS	tac	tep	rm	rmF
Muchas imágenes por sesión, rapidez		X	X	X
Identificación estructural exacta de regiones activas		X	X	X
Estructura anatómica y funcional de cada sujeto			X	X
Buena resolución espacial		/	X	X
Riesgos biológicos nulos			X	X
Señal: Campo Magnético			X	X
Observación de tejidos blandos y órganos	X	X	X	X

DIFERENCIAS	TAC	TEP	RM	RMF
Emisión Rx	X
Inyección de isótopo radiactivo		X
Probabilidad de Riesgos biológicos	X	X
Poca resolución espacial	X
Poca rapidez en formar imágenes	X
Detecta cambios de [O2] en sangre del cerebro inducido funcionalmente				X
Detecta aumento de flujo sanguíneo + Oxígeno en cerebro			X