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Timestamp: 2018-01-20 02:42:41+00:00

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Análisis de Imágenes Médicas: Imágenes cerebrales de alta resolución para estudios de Alzheimer
Imágenes cerebrales de alta resolución para estudios de Alzheimer
Esta entrada está basada en un artículo escrito para "The Global Scientist" (en Inglés), y que puedes encontrar aquí.
Figura 1: situación del hipocampo (en rojo) en el cerebro
El hipocampo es una estructura del cerebro que es fundamental para nuestra memoria. Tenemos dos hipocampos en el cerebro: uno en el lado izquierdo, y otro en el derecho, como se muestra en la Figura 1. El hipocampo es muy importante para la Neurociencia, en parte debido a su conexión con la enfermedad de Alzheimer. El Alzheimer es la forma más común de demencia, una enfermedad que se calcula que va afectar a más de 500 millones de personas en los próximos 40 años, y que se estima tuvo un coste de más 100.000 de euros en la Unión Europea en el año 2010.
Hipocampo significa "caballo de mar" en griego (¡y en Español!). La similitud es clara:
Figura 2: fotografías de un hipocampo humano (a la izquierda) y de un caballo de mar (a la derecha). El plano marcado en rojo en la imagen de la izquierda señala la orientación del corte mostrado en la Figura 3.
Aunque no se vea en la Figura 2, el hipocampo se compone de una serie de áreas interrelacionadas. Si examinamos la sección transversal del hipocampo (marcada por el plano rojo en la figura), la estructura interna se parece a un brazo de gitano (ver Figura 3). Si seguimos el brazo de gitano de fuera a adentro, primero tenemos el subículo (donde el hipocampo se conecta con la corteza cerebral), luego el cornu ammonis (el cuerno de Amón - el dios egipcio), que tiene cuatro partes (CA1, CA2, CA3 y CA4), y finalmente el giro dentado.
Figura 3: analogía entre un brazo de gitano y el hipocampo. Estas imágenes muestran una sección transversal definida por el plano rojo en la Figura 2 - a la izquierda. Las áreas del hipocampo están señaladas en el esquema de la derecha.
Diferentes estudios [1,2] han demostrado que estas áreas participan en distintos tipos de memoria, y que interaccionan con distintas regiones de la corteza para hacer funcionar al cerebro. Además, autopsias de cadáveres también nos han permitido comprobar que el envejecimiento común y la enfermedad de Alzheimer afectan a las áreas del hipocampo de manera muy diferente. Mientras que el hipocampo de un cerebro sano cambia lentamente durante el envejecimiento, el Alzheimer produce severas pérdidas de volumen (atrofia) en las distintas áreas del hipocampo, un proceso en el que unas áreas sufren más atrofia que otras.
La imagen por resonancia magnética (IRM) es una técnica que nos permite visualizar el interior del cerebro en tres dimensiones sin peligro alguno para el paciente. Dado que no hay que esperar a que el paciente muera para estudiar su cerebro, IRM nos permite monitorizar la morfología del cerebro en adultos sanos y en pacientes de Alzheimer y otras enfermedades neurológicas. Por desgracia, la resolución de la IRM típica no es suficiente para estudiar las áreas del hipocampo, debido a su reducido tamaño (ver imagen a la izquierda en la Figura 4). Por este motivo, casi todos los estudios del hipocampo mediante IRM se basan en el análisis de su volumen total, ignorando la valiosa información en las atrofias de sus áreas por separado. Afortunadamente, los avances en IRM por fin nos están permitiendo visualizar estas áreas con cierta claridad, como podemos ver en la imagen de la derecha en la Figura 4.
Figura 4: sección transversal de un hipocampo humano usando IRM. A la izquierda, una IRM a resolución estándar (cada píxel mide un milímetro). A la derecha, el mismo corte con IRM de alta resolución (0.4 mm / píxel), con tres de las áreas marcadas en rojo. Animamos al lector a comparar esta imagen con el esquema en la Figura 3.
Imágenes como la de la derecha nos permitirán estudiar exactamente cómo y dónde la enfermedad de Alzheimer afecta al hipocampo. Si se consiguiese encontrar una relación entra las etapas iniciales del Alzheimer y los tamaños de las áreas del hipocampo (estimadas por IRM), podríamos empezar a tratar la enfermedad antes de que el daño al cerebro sea demasiado grande, mejorando considerablemente su pronóstico. Además, si pudiésemos medir con precisión los volúmenes de las áreas con IRM, sería posible evaluar con exactitud la eficacia de nuevos medicamentos contra la enfermedad. A día de hoy, la mayoría de ensayos clínicos se basan en exámenes neuropsicológicos, que consisten en entrevistas y pruebas escritas. Si se complementasen estos exámenes con los volúmenes de la IRM, se podría verificar si el tratamiento es beneficioso (o no) mucho más rápido, acelerando la transición de los medicamentos de fase experimental al mercado.
Figura 5: corte transversal de una IRM de alta resolución, mostrando los dos hipocampos (imagen superior) y sus distintas áreas anotadas a mano por un especialista (imagen inferior). Estas imágenes fueron generadas con datos del estudio descrito en [3].
El principal problema de este tipo de análisis es cómo calcular los volúmenes de las áreas del hipocampo a partir de la IRM. Una posibilidad es que un experto en Neuroanatomia anote las áreas a mano, como en la Figura 5. El problema es que cada IRM puede contener hasta 150 ó 200 cortes como el de la figura, por lo que anotar los hipocampos de un solo sujeto puede llevar hasta una semana. Como un estudio basado en IRM suele usar decenas de sujetos, esta técnica manual sólo puede ser usada en centros de investigación con enormes recursos de personal - y experiencia en Neuroanatomia. Incluso en dichos centros, el número de sujetos en los estudios está condicionado por lo larga y tediosa que es esta tarea, lo que puede limitar la validez de las conclusiones desde un punto de vista estadístico.
Una alternativa al análisis manual es usar un programa de computador para extraer los volúmenes de la IRM de forma automática. Aunque detectar las áreas del hipocampo de esta manera es menos fiable que hacerlo a mano, nos permite llevar a cabo estudios con muchos más sujetos (cientos), lo cual incrementa considerablemente nuestra capacidad de detectar cambios en el hipocampo debidos al Alzheimer. ¿Cómo funcionan estos programas? Ese será el tema de otra entrada en el futuro, pero ése es precisamente el tema de mi investigación. Para los lectores interesados, recomiendo los artículos [4] y [5], de acceso gratuito.
En los próximos años, se prevé que multitud de IRMs de alta resolución del hipocampo sean compartidas por la comunidad científica para su análisis. El nivel de detalle de estas imágenes, junto con el desarrollo de software para analizarlas, nos permitirá conectar los cambios en la morfología del hipocampo con el desarrollo del Alzheimer, ayudándonos a combatir esta enfermedad.
J.D.E. Gabrieli, J.B. Brewer, J.E. Desmond and G.H. Glover. Separate Neural Bases of Two Fundamental Memory Processes in the Human Medial Temporal Lobe. Science, 276:264–266, 1997.
M.M. Zeineh, S.A. Engel, P.M. Thompson and S.Y. Bookheimer. Dynamics of the Hippocampus During Encoding and Retrieval of Face-Name Pairs. Science, 299:577–580, 2003.
J.L. Winterburn, J.C. Pruessner, S. Chavez, M.M. Schira, N.J. Lobaugh, A.N. Voineskos and M.M. Chakravarty. A novel in vivo atlas of the human hippocampal subfields using high-resolution 3T magnetic resonance imaging. Neuroimage, 74:254-265, 2013.
K. Van Leemput, A. Bakkour, T. Benner, G. Wiggins, L.L. Wald, J. Augustinack, B.C. Dickerson, P. Golland and B. Fischl. Automated segmentation of hippocampal subfields from ultra-high resolution in vivo MRI. Hippocampus, 19:549–557, 2009.
P.A. Yushkevich, H. Wang, J. Pluta, S.R. Das, C. Craige, B.B. Avants, M.W. Weiner, and S. Mueller. Nearly Automatic Segmentation of Hippocampal Subfields in In Vivo Focal T2-Weighted MRI. Neuroimage, 53:1208-1224, 2010.
Publicado por Juan Eugenio Iglesias en 13:39
Imágenes cerebrales de alta resolución para estudi...

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