Biblioteca para el análisis de la conectividad cerebral y su aplicación en base de datos de pacientes con tinnitus.
Authors:   , González Rodríguez Lázara Liset 
Published: December 2024

La Resonancia Magnética por difusión (dMRI) es una poderosa herramienta, ampliamente empleada para el estudio de la conectividad cerebral estructural tanto en la salud como en la enfermedad. A partir de las dMRI se pueden obtener datos de tractografía cerebral, que contienen fibras cerebrales en 3D representando los tractos de la materia blanca (WM) del cerebro.
Utilizando las dMRI como datos de entrada, tenemos los siguientes dos planteamientos a resolver. Primero, sabemos que el análisis de los datos de tractografía es una tarea compleja debido a la geometría de las fibras, el formato de los archivos y el gran tamaño de los conjuntos de datos. A pesar de la existencia de algoritmos para su análisis, la manipulación de estos datos sigue siendo un desafío significativo. Segundo, la enferdad de tinnitus es la percepción de sonido en ausencia de una fuente externa. Hasta la fecha, según nuestro conocimiento, no se ha descrito completamente cómo los procesos neuronales del cerebro y el sistema auditivo causan esta condición. Creemos que, utilizando las dMRI y herramientas para el análisis de tractografía cerebral, podemos contribuir a una mejor descripción de las alteraciones de la WM cerebral en la enfermedad del tinnitus.
Con el propósito de responder los dos planteamientos anteriores creamos una biblioteca de Python para el análisis de datos de tractografía cerebral. Esta recopila y estructura métodos avanzados de análisis de tractografía cerebral como segmentación, clustering, visualización de fibras cerebrales y además, se integran herramientas para la manipulación de los datos como lectura, escritura, extracción y filtrado de medidas de fibras cerebrales. La principal contribución de nuestra biblioteca es que es de código abierto y compatible con los sistemas operativos Windows y Ubuntu. Además, está disponible en GitHub y cuenta con una extensa documentación que incluye datos y scripts de prueba, facilitando su uso y adopción.
Para resolver la segunda incógnita aplicamos la biblioteca para el estudio de la conectividad cerebral en pacientes con tinnitus, centrándonos en 36 fascículos de f ibras de la WM profunda y 83 de la WM superficial. Analizamos una cohorte chilena de edad avanzada con y sin tinnitus (n=56 y n=40, respectivamente), extrayendo medidas derivadas de las imágenes de tensor de difusión (DTI) como la difusividad axial (AD), la difusividad media (MD), la difusividad radial (RD) y la anisotropía fraccional (FA). El modelo de clasificación Extreme Gradient Boosting (XGB) logró un AUC de 0.93, empleando como características las medidas de la AD en los fascículos de interés. Entre los fascículos más importantes de la WM profunda se encuentran el fascículo arqueado anterior y el longitudinal inferior en el hemisferio derecho, y la radiación talámica motora superior en el hemisferio izquierdo. Por otro lado, los fascículos más significativos de la WM superficial conectaron principalmente regiones del hemisferio izquierdo, como el parietal superior, cuneus, lingual, temporal superior, frontal medio caudal, precentral, fusiforme, postcentral, supramarginal, frontal medio rostral y frontal superior.
Los pacientes con tinnitus mostraron disminuciones en la AD, la MD y la RD, y se registró un aumento de la FA, lo que sugiere una reorganización microestructural de las fibras. Estos cambios pueden reflejar plasticidad adaptativa o maladaptativa en respuesta al daño auditivo. El aumento de la FA podría indicar una respuesta compensatoria, donde las fibras intactas restantes se organizan mejor para mantener la eficiencia del procesamiento auditivo. La reducción en la AD podría reflejar daño axonal, reducción del calibre axonal o una orientación menos coherente de los axones. Mientras tanto, la disminución de la MD y la RD podría indicar un aumento de la integridad de la mielina. Estas alteraciones pueden interrumpir la transmisión de información auditiva y contribuir a la persistencia del tinnitus.
Este trabajo contribuye significativamente a la investigación en curso sobre el tinnitus, ofreciendo valiosas ideas para el desarrollo de herramientas de diagnóstico más precisas. Según nuestro conocimiento, este es el primer estudio que investiga las alteraciones de los fascículos de la WM superficial en pacientes con tinnitus. Además, la metodología de análisis aplicada a la base de datos de pacientes con tinnitus puede ser extendida a otras bases de datos, tanto de pacientes sanos como enfermos.