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Timestamp: 2020-02-22 07:41:03+00:00

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Exploración de los procesos cognitivos: metodología y técnicas. J. A.…
Exploración de los procesos cognitivos: metodología y técnicas. J. A. Periáñez Morales, R. Miranda García y M. Ríos Lago
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En el presente capítulo se aborda una introducción a las técnicas existentes en el momento actual para el desarrollo
de los objetivos de la disciplina científi ca denominada neurociencia cognitiva. Este campo del conocimiento en continuo desarrollo, centrado en esclarecer las relaciones entre el cerebro y la conducta, dispone hoy de un sofisticado
arsenal de procedimientos y metodologías que derivan en buena medida de las aportaciones históricas de disciplinas
básicas y aplicadas como la biología, la psicología cognitiva, la neurología, etc.
5 Errores comunes que empeoran tu disfunción eréctil ◆◆◆ http://ishbv.com/edrevspan/pdf
1. ■ INTRODUCCIÓN En los últimos tiempos, uno de los avances más impor- tantes en relación con el estudio de las bases cerebrales de los procesos cognitivos y la conducta ha venido de la mano del desarrollo de las nuevas tecnologías para obtener imáge- nes cerebrales post mortem e in vivo. Estas técnicas propor- cionan información cualitativa y cuantitativa nueva respecto a las propiedades y al funcionamiento del sistema de proce- samiento de la información que es el cerebro. En este capí- Exploración de los procesos cognitivos: metodología y técnicas 4J.A. Periáñez Morales, R. Miranda García y M. Ríos Lago ✓ En el presente capítulo se aborda una introducción a las técnicas existentes en el momento actual para el desarrollo de los objetivos de la disciplina cientíﬁca denominada neurociencia cognitiva. Este campo del conocimiento en conti- nuo desarrollo, centrado en esclarecer las relaciones entre el cerebro y la conducta, dispone hoy de un soﬁsticado arsenal de procedimientos y metodologías que derivan en buena medida de las aportaciones históricas de disciplinas básicas y aplicadas como la biología, la psicología cognitiva, la neurología, etc. ✓ En la primera parte del capítulo se revisan algunos de los principales hitos históricos por los cuales se comenzó a describir la anatomía macroscópica del cerebro y de los que posteriormente se derivaron muchos de los actuales procedimientos técnicos. ✓ El capítulo continúa describiendo algunas de las principales técnicas modernas para el estudio de la anatomía cere- bral microscópica (microscopio óptico y electrónico) en tejidos, para alcanzar las técnicas de neuroimagen estructural y su aplicación en el estudio del tejido cerebral in vivo (tomografía computarizada y resonancia magnética), así como algunas de las más modernas aplicaciones de la resonancia magnética como el tensor de difusión para el estudio de la microestructura de la sustancia blanca cerebral. ✓ El tercer apartado se centra en la descripción de las técnicas que permiten la medición de la actividad eléctrica del cerebro, desde la perspectiva microscópica de las neuronas únicas o los pequeños grupos neuronales hasta la pers- pectiva macroscópica que ofrecen técnicas de registro como el electroencefalograma y los potenciales evocados o los más modernos desarrollos en torno a la magnetoencefalografía. ✓ El cuarto apartado se centra en la descripción de las técnicas consideradas propiamente de «neuroimagen funcional» incluyendo tanto aquellas cuya señal procede de procesos celulares metabólicos, como la tomografía por emisión de positrones, como las que obtienen su señal de los cambios de las propiedades hemodinámicas, como la resonancia magnética funcional. ✓ En el quinto y último apartado se detallan las características del método lesional en sus diversas vertientes de apli- cación (lesiones experimentales, reversibles y adquiridas). En dicho apartado se hará hincapié en los métodos em- pleados por la neuropsicología en la medida que suponen una importante fuente de datos experimentales para con- trastar las hipótesis de los modelos de la neurociencia cognitiva. a Resumen conceptual ¬ Objetivos de aprendizaje • Conocer la clasiﬁcación de las principales técnicas empleadas en la exploración de los procesos cognitivos. • Diferenciar los conceptos de resolución espacial, resolución temporal e invasividad, que permiten clasiﬁcar los di- ferentes procedimientos de estudio de las bases cerebrales de los procesos cognitivos. • Conocer y diferenciar las distintas fuentes de datos de las que la neurociencia cognitiva obtiene información sobre la anatomía y el funcionamiento cerebrales. • Comprender la complementariedad de dichos procedimientos y técnicas en el estudio de los procesos cognitivos y cerebrales. • Familiarizarse con el vocabulario técnico propio de los métodos y técnicas del estudio de las bases cerebrales de la cognición. • Descubrir la importancia de la interdisciplinariedad existente en la investigación en neurociencia cognitiva. 111
2. 112 Sección I. Introducción a la neurociencia cognitiva tulo se revisarán algunos de los principales métodos que han sido empleados tradicionalmente en neurociencia para el estudio de la anatomía y las bases cerebrales de los procesos cognitivos. A modo introductorio, la ﬁgura 4-1 ofrece una visión panorámica general sobre algunas de las técnicas y métodos de investigación, que al día de hoy, están supo- niendo un importante avance en el estudio de la relación entre el cerebro y la conducta desde la perspectiva de la neu- rociencia cognitiva. ■ ESTUDIO DE LA ANATOMÍA CEREBRAL La exploración macroscópica del encéfalo constituyó una de las primeras aproximaciones al estudio del cerebro. La investigación neuroanatómica ha establecido otro de sus principales focos de interés en el estudio del modo en que dichas regiones cerebrales están interconectadas entre sí. Por un lado, la observación externa del cerebro de cualquier ani- mal proporciona información general con respecto a la exis- tencia de partes bien diferenciadas, como el tronco del encé- falo, el cerebro o el cerebelo. Además, el examen visual de la corteza cerebral permite establecer distintas divisiones en función de la presencia de grandes surcos o cisuras que reco- rren la superﬁcie de dicha corteza. Dichos surcos establecen la base de la diferenciación de los cuatro lóbulos cerebrales, pu- diendo incluso distinguir la existencia de surcos más peque- ños dentro de cada uno de dichos lóbulos. La observación y la cuantiﬁcación de estas diferencias constituyen, aún hoy, una fuente de interés para el estudio de la neuroanatomía compa- rada o el estudio de las relaciones entre la complejidad de la anatomía macroscópica y la complejidad conductual de las distintas especies. Si además se efectuara la disección del ce- rebro, se podrían establecer divisiones entre las distintas par- tes internas que se ocultan bajo la corteza cerebral.Así, resulta relativamente sencillo diferenciar, a simple vista, la sustancia blanca de la sustancia gris o algunos de los principales núcleos cerebrales subcorticales como el tálamo, el hipotálamo o los ganglios basales (Fig. 4-2). Sin embargo, esta visión superﬁcial resulta insuﬁciente para saber que la sustancia gris está for- mada por millones de cuerpos celulares de neuronas y glía, o que la sustancia blanca está formada por ﬁbras nerviosas pro- MicrolesionesMicrolesiones ModelosModelos knock outknock out y transgénicosy transgénicos Registros unicelularesRegistros unicelulares yy patch clamppatch clamp LesionesLesiones Registros unicelulares y patch clamp Microlesiones Modelos knock out y transgénicos Lesiones Resolución temporal Nivelesdecomplejidadfuncional NeuroimagenmicroscópicaNeuroimagenmacroscópica Resoluciónespacial Milisegundos Mapa Evaluación neuropsicológica Neuroimagen estructural Neuroimagen funcional TC WADA EEG y PE MEG EEG superficie Electrodos intracraneales EMT RMf PET Microscopia óptica Microscopia electrónica Inmunohistoquímica RM DTI Cerebro Neurona Sinapsis Nivel conductual Nivel de sistemas Nivel de redes Nivel sináptico y celular Nivel molecular Segundos Minutos Horas Días Grado de invasividad Figura 4-1. Representación gráﬁca de diferentes métodos y técnicas de investigación empleadas en neurociencia cognitiva en función de su resolución espacial y temporal. EEG: electroencefalografía; EMT: estimulación magnética transcraneal; MEG: magnetoencefalografía; PE: potenciales evocados; PET: tomografía por emisión de positrones; RM: resonancia magnética; RMf: resonancia magnética funcional; TC: tomografía computarizada; WADA: prueba de Wada (prueba del amital sódico). La neuroanatomía centra su atención en el estudio de la estructura del sistema nervioso y en el esta- blecimiento de divisiones entre las distintas partes que lo componen. ¡
3. 113Capítulo 4. Exploración de los procesos cognitivos: metodología y técnicas cedentes de neuronas situadas en diferentes regiones de la corteza y núcleos subcorticales distales. Así pues, la falta de las herramientas y tecnologías apropia- das llevó a muchos investigadores a obtener ideas erróneas sobre la relación entre la anatomía y la función cerebral en momentos precedentes de la historia de la neurociencia. Sin duda, la frenología constituye uno de esos ejemplos paradig- máticos (F. J. Gall y J. G. Spurzheim entre 1810 y 1819). Estas ideas, demostradas erróneas a día de hoy, podrían atribuirse en buena medida a la ausencia de técnicas de obser- vación adecuadas diferentes a la mera inspección visual o pal- pación de las cabezas. En contraposición a aquellos que recha- zaron un estudio serio de las bases estructurales de las funciones cognitivas, microscopistas como AntonVan Leeuw- enhoek (1632-1723) colaboraron de forma importante al avance de las neurociencias al facilitar el desarrollo de méto- dos e instrumentos ópticos primitivos que permitirían con el paso de los años describir la estructura microscópica del tejido nervioso. Como se verá más adelante, el desarrollo de diversas técnicas de ﬁjación, seccionado y tinción de tejido, en combi- nación con los avances progresivos en microscopia óptica, electrónica o láser confocal han permitido incrementar consi- derablemente el conocimiento sobre la estructura y la función del sistema nervioso. En deﬁnitiva, la evolución de estas téc- nicas ha sido clave para la descripción de las características morfológicas de diferentes células nerviosas, las conexiones que establecen para comunicarse entre sí o sinapsis, así como su naturaleza química o molecular. En los siguientes apartados se describirán en más detalle algunas de las principales técnicas empleadas en neurociencia para la exploración de la anatomía del sistema nervioso, tanto a nivel microscópico como a nivel macroscópico. Técnicas de estudio del tejido nervioso post mortem Como ya se ha señalado, gran parte del conocimiento acerca de la organización anatómica del sistema nervioso se debe a la observación post mortem del cerebro. Si bien la ob- servación macroscópica constituye un primer paso en el aná- lisis anatomopatológico necesario para el estudio de las cau- sas de alteraciones conductuales en pacientes neurológicos, para un conocimiento más detallado de la organización del sistema nervioso y sus alteraciones asociadas con déﬁcits cog- nitivos, es necesario acudir al estudio microscópico de tejidos. En este apartado se revisarán las principales técnicas histoló- gicas que permiten realizar el estudio microscópico del tejido nervioso y conocer diversos aspectos de su organización es- tructural y de las propiedades morfológicas de las células ner- viosas. Asimismo, se detallarán algunos de los contextos ex- perimentales de aplicación de estas técnicas y se mostrará cómo a través de la observación microscópica es igualmente posible analizar determinados aspectos de la función del sis- tema nervioso. Fijación y seccionado del tejido nervioso Para ello, se hace necesario detener los procesos de degra- dación tisular y celular que siguen a la muerte mediante el tratamiento del tejido con procesos químicos o criógenos de ﬁjación. La ﬁjación química puede realizarse por inmersión directa de las muestras en líquido ﬁjador o por medio de per- fusión vascular. La técnica de perfusión vascular consiste en la sustitución de la sangre por otro líquido y es muy común en los trabajos con animales experimentales, dado que generalmente asegura un mejor resultado en el análisis histológico al elimi- nar la sangre del tejido.Antes de comenzar con esta operación se induce la muerte del animal de la forma menos traumática posible, habitualmente por sobredosis de agentes anestésicos. Para la perfusión se aprovecha el sistema circulatorio, rom- piendo los vasos sanguíneos en un punto y permitiendo así el vaciado de la sangre y su sustitución por una solución salina lavadora o un líquido ﬁjador que con la ayuda, por ejemplo, de un sistema externo de bombeo, penetra en el sistema nervioso deteniendo el proceso de autólisis del tejido. Los químicos ﬁ- jadores más habituales son aldehídos como el formaldehído, A B Cisura longitudinal Diencéfalo Mesencéfalo Cuerpo calloso Hemisferios cerebrales Corteza frontal (prosencéfalo) Troncoencéfalo Cerebelo Figura 4-2. Anatomía cerebral macroscópica de un cerebro hu- mano. La observación macroscópica del cerebro permite identiﬁcar sus principales componentes anatómicos, así como ciertas altera- ciones. En el examen de la superﬁcie del cerebro se puede obser- var el aspecto plegado de la corteza cerebral. Los grandes surcos o cisuras sirven de referencia para dividir los hemisferios (A) y los cuatro grandes lóbulos del cerebro. Realizando cortes sagitales del cerebro es posible además identiﬁcar nuevas regiones de corteza cerebral y la disposición de estructuras subcorticales (B). La frenología fue la corriente de pensamiento que proponía que el tamaño de determinadas regiones cerebrales, inferido a través de abultamientos o hundimientos observables en el cráneo de los indi- viduos, podía relacionarse con el mayor o menor desarrollo de determinadas cualidades intelectua- les o rasgos de personalidad. › El objetivo principal del estudio de tejidos post mor- tem es reconocer las estructuras en las condiciones más cercanas al tejido vivo. ¡
4. 114 Sección I. Introducción a la neurociencia cognitiva paraformaldehído o glutaraldehído, preparados en solución acuosa. El tratamiento del tejido nervioso con estos ﬁjadores interrumpe la degradación natural del tejido y facilita su con- servación y almacenamiento para realizar análisis posteriores, al evitar la descomposición inducida por microorganismos como bacterias o mohos. Alternativamente, las muestras de tejido se pueden conservar y estudiar sin ﬁjación química me- diante procesos de congelación a muy bajas temperaturas. Esta ﬁjación por congelación detiene también la descomposición de los tejidos y suele ser necesaria para realizar análisis histológi- cos que se verían alterados por el uso de ﬁjadores químicos. Una vez que se dispone de muestras de tejido ﬁjadas, es necesario laminar el tejido en secciones ﬁnas para su observa- ción microscópica. El grosor de las secciones varía en función del microscopio y la técnica histológica empleados. En mi- croscopia óptica y láser confocal el grosor de las secciones suele oscilar en el intervalo de varios micrómetros (10-60 μm), mientras que para la observación en el microscopio electró- nico de transmisión el grosor secciones de tejido ha de estar en el orden de varios nanómetros (40 a 80 nm). El tejido nervioso en fresco carece de la rigidez necesaria para poder ser cortado en secciones tan ﬁnas. Los ﬁjadores químicos endurecen el tejido, pero no de forma suﬁciente para obtener secciones de micrómetros y aún menos de nanóme- tros de grosor. Así pues, se hace necesario incluir el tejido en algún medio que una vez solidiﬁcado garantice la consistencia o dureza necesarias para obtener secciones ﬁnas o ultraﬁnas con un grosor estable en series de cortes sucesivos. El proceso de inclusión requiere un tratamiento adicional del tejido, que generalmente consiste en la eliminación del agua de las mues- tras mediante el paso por una cadena de alcoholes en concen- tración creciente. Una vez deshidratado, el tejido puede in- cluirse en paraﬁnas o resinas líquidas (medios no miscibles en agua) que una vez enfriadas o polimerizadas a altas tempera- turas, respectivamente, formarán bloques sólidos apropiados para ser seccionados con la ayuda de instrumentos de preci- sión: microtomo para grosor de micrómetros (v. Material web. Animaciones y videos.Vídeo 1. Seccionado en microtomo de tejido nervioso incluido en paraﬁna) o ultramicrotomo para grosor de nanómetros (v. Material web.Animaciones y vídeos. Vídeo 2. Corte seriado en ultramicrotomo de secciones ultra- ﬁnas de tejido nervioso incluido en resina). Por otro lado, las muestras congeladas adquieren una rigidez suﬁciente y no requieren pasar por un proceso de inclusión, siendo posible ser cortadas a bajas temperaturas en secciones micrométricas con ayuda de un criostato que consiste básicamente en un microtomo provisto de una cámara frigoríﬁca que evita la des- congelación del tejido durante el seccionado (v. Material web. Animaciones y vídeos.Vídeo 3. Seccionado en criostato de te- jido nervioso congelado). Alternativamente, existen otros ins- trumentos, como el vibratomo, que permiten extraer secciones micrométricas aunque algo más gruesas (50-300 μm) cuando se requiere trabajar con tejido fresco o poco ﬁjado con escasa consistencia (Fig. 4-3). Métodos de tinción El tejido nervioso en secciones ﬁnas visto a través del mi- croscopio óptico presenta un escaso contraste, lo que diﬁculta el estudio de sus características estructurales. En su observa- ción directa apenas es posible distinguir más que regiones de sustancia blanca, formadas por axones mielinizados, y algunas regiones de sustancia gris donde se acumulan los somas o cuerpos de las células nerviosas. Para incrementar el contraste se suele acudir a distintos colorantes o tinciones que resalta- rán diferentes propiedades y componentes celulares o subce- lulares del tejido nervioso. El conocimiento de las característi- cas histológicas del sistema nervioso ha ido ligado al desarrollo de distintas técnicas de tinción. Por ejemplo, con la ayuda de estas técnicas se ha logrado diferenciar y clasiﬁcar numerosos tipos de neuronas y células de glía así como su distribución en el sistema nervioso. Las agrupaciones de estas células nerviosas con características anatómicas y topográﬁcas similares reciben la denominación de núcleos o áreas cerebra- les y sobre ellas se han realizado mapas citoarquitectónicos o atlas estereotáxicos, con su posición precisa y extensión en el cerebro. Asimismo, se ha hecho posible identiﬁcar las prolon- gaciones citoplasmáticas características de las neuronas, den- dritas y axones, que forman la intrincada red de comunicación nerviosa que determina la función cerebral (Recuadro 4-1). Ultraestructura del sistema nervioso: microscopia electrónica La introducción del microscopio electrónico en la década de 1930, con su capacidad de aumento hasta más de un millón de veces, revolucionó la histología del sistema nervioso, al per- mitir observar sus elementos de menor tamaño o ultraestruc- turales. A mediados del siglo XX se produjo la primera obser- vación de una sinapsis química, la que demostró que entre el elemento presináptico y el postsináptico existía un separación o hendidura sináptica (Fig. 4-6), lo que supuso un importante apoyo a la consolidación de la doctrina neuronal de Cajal. La observación a través de secciones ultraﬁnas (40-80 nm de gro- sor) y teñidas con metales pesados (v. Material web. Anima- ciones y videos. Vídeo 4. Tinción de secciones ultraﬁnas) es posible gracias al microscopio electrónico de transmisión. Sin embargo, es igualmente posible observar el relieve en mues- tras biológicas gracias al microscopio electrónico de barrido. En este caso, las muestras son tratadas con materiales (co- múnmente carbón u oro) que no permiten el paso de electro- nes al interior de la muestra, al tiempo que aportan conduc- tancia a la superﬁcie. La muestra así cubierta es literalmente barrida por un haz de electrones que se verán dispersados y captados por detectores especíﬁcos que permitirán construir una imagen tridimensional y de alta resolución de la superﬁcie de la muestra con un aumento de hasta 200.000 veces su ta- maño original.A pesar de existir métodos como la criofractura, que permiten obtener imágenes a través del microscopio de barrido de la superﬁcie de diferentes componentes del tejido nervioso, la aplicación de este microscopio al estudio de la es- Micrómetros o micras (μm) y nanómetros (nm) o angs- trom (Å) son submúltiplos de la unidad de longitud o metro (m) en el sistema métrico o sistema internacio- nal de medidas (1 μm = 10–6 m; 1 nm = 1 Å = 10–9 m). ›
5. 115Capítulo 4. Exploración de los procesos cognitivos: metodología y técnicas tructura del sistema nervioso está menos extendida respecto a la aplicación del microscopio de transmisión. Si bien una limi- tación posible del microscopio electrónico de transmisión se- ría su incapacidad para generar imágenes tridimensionales, ésta se ha visto superada con el desarrollo de la microscopia seriada. Actualmente, a través de un conjunto de imágenes obtenidas de cortes ultraﬁnos consecutivos, es posible recons- truir el volumen de los elementos ultraestructurales del sis- tema nervioso. Por ejemplo, esta metodología ha permitido un gran avance en la descripción morfológica de las sinapsis y ha revolucionado los estudios de plasticidad sináptica centrados en el análisis de las modiﬁcaciones estructurales de las sinap- sis asociadas con la función normal y patológica del cerebro. Técnicas inmunohistoquímicas Paralelamente a la evolución de las técnicas de microscopia electrónica e histoquímicas para el estudio de los aspectos es- tructurales del sistema nervioso con microscopio óptico, se ha ido desarrollado otro conjunto de técnicas. Se emplean anticuerpos dirigidos contra las moléculas de interés (p. ej., neurotransmisores, receptores, enzimas, etc.), que son producidos al puriﬁcar tales moléculas e inyectarlas en el torrente sanguíneo de un animal experimental.El organismo del animal hospedador generará anticuerpos especíﬁcos contra la molécula de interés y éstos son recogidos para ser aplicados sobre secciones histológicas. Durante el proceso de incubación del tejido, el anticuerpo –al localizar la molécula diana– forma un complejo antígeno-anticuerpo que posteriormente podrá ser revelado mediante diferentes técnicas, permitiendo reco- nocer la localización anatómica de tal molécula y estimar su nivel de expresión en el sistema nervioso. Una de las formas habituales para reconocer la presencia de moléculas particula- res consiste en combinar los anticuerpos empleados con mo- léculas que emiten ﬂuorescencia (ﬂuorocromos o ﬂuoróforos) al ser excitadas por radiación luminosa de determinada longi- tud de onda. Estos ﬂuorocromos pueden ser excitados con lámparas especíﬁcas (mercurio o xenón) acopladas a microsco- pios ópticos o con láser en los denominados microscopios con- focales. El uso del láser en el microscopio confocal permite hacer un barrido punto a punto por las muestras de tejido, ob- teniendo imágenes confocales que consisten en imágenes de espesor reducido del tejido sin elementos fuera de foco. Como ejemplo, mediante estas técnicas se hace posible realizar mapeos funcionales del cerebro tras la estimulación neuronal que se produce normalmente durante la realiza- ción de tareas conductuales. Para ello, basta con disponer de Figura 4-3. Esquema del pro- cesamiento histológico. Antes de proceder a la observación microscópica post mortem del tejido nervioso es necesario pa- sar por una serie de pasos de procesado histológico. En prin- cipio (1), las muestras son tra- tadas químicamente o me- diante congelación para evitar su degradación (ﬁjación). En un segundo momento (2), las muestras fijadas química- mente han de ser incluidas en paraﬁnas o resinas para dotar al tejido de la consistencia ne- cesaria para poder obtener secciones (3) ﬁnas (microtomo) o ultrafinas (ultramicrotomo) que permitan el paso de luz o electrones en el microscopio. El tejido congelado puede ser cortado directamente con la ayuda de un criostato, mientras que –en ocasiones– tejido ﬁjado químicamente y que no ha sido incluido en paraﬁnas o resinas puede ser seccionado en fresco con la ayuda del vibratomo. Fi- nalmente, es necesario realizar un proceso de tinción (4) que revelará aspectos anatómicos o moleculares para obtener imá- genes contrastadas del tejido nervioso en el microscopio (5). Fijación 1 2 3 Química Inclusión 4 5Tinción Observación microscópica Seccionado Fijación químicaEn fresco Criomuestras Vibratomo Microtomo Ultramicrotomo Criostato Formaldehído Paraformaldehído Glutaraldehído… Nitrógeno líquido Isopetano… Congelación Deshidratación Parafinas Resinas Estas técnicas, denominadas inmunohistoquímicas o inmunocitoquímicas, permiten detectar y cuantifi- car la presencia de moléculas específicas en células nerviosas particulares, provocando una reacción in- munitaria. ¡ AMPLIAR A 123 MM DE ALTURA
6. 116 Sección I. Introducción a la neurociencia cognitiva Recuadro 4-1. Métodos de tinción • Método de Golgi. Uno de los avances más importantes en el ámbito de la histología del sistema nervioso se produjo gracias al descubrimiento de la «reazione nera» («reac- ción negra») por Camilo Golgi (1843-1926). Esta técnica de tinción basada en el uso de sales plata permitió cono- cer las características morfológicas de las células ner- viosas, siendo posible diferenciar el cuerpo neuronal, las dendritas y el axón. Una gran ventaja de esta técnica ra- dica en que solamente algunas células reaccionan (de forma aleatoria) ante la plata. De esta manera, se hace posible separar unidades celulares específicas y sus pro- longaciones, que en condiciones normales aparecerían formando una masa densa prácticamente indiferenciada, dado su agrupamiento con las restantes células que for- man el sistema nervioso (Fig. 4-4). El desarrollo de esta técnica por parte de Santiago Ra- món y Cajal (1852-1934) determinó el nacimiento de la teoría o doctrina neuronal, enunciada por el propio Cajal en 1889, que sostuvo que el sistema nervioso estaba for- mado por células nerviosas dispuestas como unidades anatómica y funcionalmente independientes. A raíz de las evidencias mostradas por Cajal, los neurocientíficos de la época fueron alejándose de la teoría reticular, amplia- mente defendida por Golgi, que planteaba que las neuro- nas estarían fusionadas en una red difusa o sincitio, que implicaba una continuidad citoplasmática entre la dife- rentes unidades neuronales. No obstante, la confirma- ción definitiva de la discontinuidad entre neuronas –pro- puesta por Cajal– tuvo que esperar hasta la década de 1950, cuando se pudieron tomar las primeras imágenes de las sinapsis gracias al desarrollo de la microscopia electrónica de transmisión. La relevancia de los descu- brimientos de Cajal y Golgi sería finalmente reconocida con la concesión del premio Nobel compartido para am- bos autores en el año 1906. Por otro lado, el empleo de la misma técnica permitió al neurólogo alemán Korbinian Brodmann (1868-1918) sugerir la existencia de distintos patrones de estratifi- cación de las células en las diferentes regiones de la corteza cerebral, describiendo hasta 52 patrones dife- rentes (o áreas de Brodmann). El denominado mapa de Brodmann ha ido evolucionando con el paso de los años y sigue constituyendo hoy una de las descripcio- nes citoarquitectónicas de la corteza cerebral más completas y detalladas. Además, con ayuda de otras metodologías de reciente aparición, se ha podido veri- ficar la relación entre la existencia de determinados patrones citoarquitectónicos corticales, como los esta- blecidos por Brodmann, y el desempeño de diferentes funciones cognitivas. • Coloración de Nissl. Otro de los métodos de tinción que ha revolucionado los estudios histológicos del sistema nervioso es la coloración de los grumos de Nissl, deno- minada así en honor de su descubridor, el neuropatólogo alemán Franz Nissl (1860-1919). Empleando el azul de metileno, Nissl pudo diferenciar los cuerpos celulares al marcar en azul/púrpura ácidos nucleicos, básicamente ácido ribonucleico (ARN) presente en el retículo endo- plásmico rugoso y los ribosomas. El resultado es una imagen de las neuronas con el núcleo claro, pero con el nucléolo y el citoplasma marcados en tono azulado os- curo. A diferencia de la tinción de Golgi, específica para un reducido número de células, la tinción de Nissl pene- tra en todas las células de una sección, lo que permite, por ejemplo, conocer el número de neuronas que forman las distintas regiones cerebrales (Fig. 4-5). En la actuali- dad, las tinciones dirigidas a la diferenciación de cuerpos celulares son empleadas en numerosos estudios cuanti- tativos, siendo de especial interés aquellos dirigidos al análisis de condiciones que provocan muerte o pérdida neuronal. Para realizar estimaciones de este tipo se hace necesario, además, aplicar diferentes métodos matemá- ticos, como los de la estereología, que permiten extraer información cuantitativa de objetos tridimensionales a través del análisis de secciones bidimensionales del pro- pio objeto. • Técnicas de mielina y trazado de conexiones. Para ob- tener información adicional sobre la conectividad neu- ronal o procesos neurodegenerativos, es posible combi- nar la información obtenida de tinciones que resaltan los cuerpos neuronales con el análisis de secciones teñidas con colorantes que marcan selectivamente las prolongaciones nerviosas (p. ej., las técnicas Weigert- Pal y Luxol Fast Blue). Generalmente estas técnicas se denominan tinciones de mielina, al teñir el recubri- miento graso de los axones. Asimismo, para conocer de dónde parten las conexiones que llegan a una región cerebral o hasta qué áreas cerebrales se envían axones desde una región concreta, se emplean técnicas de tra- zado axónico o de conexiones. Para ello, se emplean moléculas como la peroxidasa del rábano que se com- portan como trazadores químicos. Por ejemplo, la in- yección de peroxidasa del rábano en una región cere- bral de un animal anestesiado produce la absorción de dicha sustancia por las neuronas de dicha región y su transporte retrógrado por el axón, es decir, desde el lu- gar donde se encuentra el terminal axónico hacia el soma celular. De forma similar, existen otras sustan- cias químicas, denominadas trazadores anterógrados, capaces de recorrer el camino inverso (desde el soma hacia el axón). La combinación de estas metodologías junto con otros métodos de detección de proteínas ce- rebrales ha permitido establecer mapas de conectividad entre distintas zonas del cerebro y caracterizar la natu- raleza química de las sinapsis empleadas en dichas vías de comunicación. No obstante, dado que estos métodos implican inyecciones intracerebrales en sujetos aneste- siados, son aplicados principalmente en modelos ani- males. Actualmente, los estudios de trazado de conexio- nes en el cerebro humano se están beneficiando enormemente de los avances en resonancia mag- nética y de la obtención de imágenes por tensor de difusión (diffusion tensor imaging, DTI) que per- miten establecer una tractografía detallada del cerebro de forma no invasiva (v. Imágenes por re- sonancia magnética, más adelante). ›
7. 117Capítulo 4. Exploración de los procesos cognitivos: metodología y técnicas anticuerpos dirigidos contra los productos proteicos deriva- dos de la expresión de genes de respuesta temprana (p. ej., c-fos), que se verán activados en aquellas células que de forma especíﬁca han participado en el procesamiento de la información requerido por la tarea experimental. De forma similar, las técnicas inmunohistoquímicas pueden aplicarse para estudiar la formación y el desarrollo de contactos sináp- ticos esenciales en los procesos de plasticidad cerebral (v. Material web. Contenido complementario. Aplicación de las técnicas inmunohistoquímicas al estudio de la conectividad sináptica). Las técnicas de detección inmunohistoquímicas han permi- tido igualmente avanzar enormemente el conocimiento sobre la capacidad proliferativa de nuevas neuronas en el cerebro adulto. En estos estudios de neurogénesis adulta se emplean anticuerpos dirigidos contra marcadores moleculares que per- miten el reconocimiento de las neuronas de nuevo nacimiento y sus cambios, fenotípicos y referentes a la localización anató- mica, producidos durante su crecimiento y maduración hasta convertirse en neuronas adultas integradas funcionalmente en las redes neurales preexistentes. El método más común para la detección de neuronas de nuevo nacimiento consiste en el re- velado inmunohistoquímico de la bromodesoxiuridina. La bro- modesoxiuridina es un análogo de la timidina que tiene la ca- pacidad de ser incorporado por células en proceso de división durante la fase S de la mitosis. Una vez incorporada al ácido desoxirribonucleico (ADN) nuclear de las células en división, permanecerá igualmente en el núcleo de las células hijas. La bromodesoxiuridina generalmente es inyectada intraperito- nealmente en animales experimentales que luego serán sacriﬁ- cados para procesar el tejido nervioso y detectar inmunohisto- químicamente las neuronas que han incorporado la bromodesoxiuridina, es decir, para poder estimar el número de nuevas neuronas generadas desde el momento de la inyección de bromodesoxiuridina (Fig. 4-7).A pesar de que la mayoría de estas nuevas neuronas mueren antes de convertirse en neuro- nas adultas funcionales, condiciones de enriquecimiento am- biental, ejercicio físico o aprendizaje favorecen su proliferación y supervivencia y se ha podido establecer una relación entre la capacidad neurogénica del hipocampo en el cerebro adulto y la mejora de la función cognitiva del aprendizaje y la memoria. Otra técnica ampliamente utilizada para la localización ana- tómica y cuantiﬁcación relativa de la expresión de genes (proteí- nas) es la hibridación in situ. En este caso se utilizan sondas de ARN o ADN creadas por el investigador, que se hibridarán (en- trelazarán) con segmentos deARN mensajero (ARNm) comple- mentarios que llevan la instrucción para la síntesis de determi- nadasproteínas.Lassondaspuedensermarcadasconelementos radioactivos o con moléculas antigénicas y el conjunto sonda- Núcleo Nucléolo Citoplasma A B Figura 4-4. Tinción de Golgi. Sección de corteza cerebral con neu- ronas piramidales teñidas con la impregnación argéntica de Golgi. En el recuadro se puede observar a mayor aumento el soma o cuerpo neuronal (punta de ﬂecha blanca) y las dendritas (ﬂecha negra) de una neurona impregnada por la tinción. Cortesía del Dr. Luis J. Santín, Universidad de Málaga. Figura 4-5. Tinción de Nissl. La tinción de Nissl resalta los cuer- pos neuronales, permitiendo diferenciar las características citoar- quitectónicas del cerebro. A) Sección coronal de ratón teñida con violeta de cresilo. B) Neuronas piramidales del campo CA1 del hi- pocampo a gran aumento teñidas con azul de metileno. Esta tin- ción permite delimitar los principales componentes anatómicos neuronales, como el núcleo, el nucléolo y el citoplasma. El microscopio confocal es una herramienta muy apreciada por su capacidad de construir imágenes tridimensionales a partir de secciones ópticas (imá- genes confocales) conseguidas a diferentes profun- didades de las muestras de tejido, marcando la pre- sencia de una o varias moléculas simultáneamente. ¡
8. 118 Sección I. Introducción a la neurociencia cognitiva ARNm se revela posteriormente mediante autorradiograﬁa o análisis inmunohistoquímico, respectivamente. El revelado au- torradiográﬁco se realiza cubriendo las muestras de tejido con películas o emulsiones fotográﬁcas que son sensibles a la radiac- tividad emitida por la sonda. Este fenómeno es equivalente al efecto de la luz en una película fotográﬁca convencional y per- mite obtener imágenes de los lugares donde se ha incorporado la molécula o isótopo radiactivos, indicando dónde se produce la síntesis de las proteínas de interés (v.Material web.Contenido complementario.Aplicación de la hibridación in situ). A B C Figura 4-6. Imágenes de microscopia electrónica que muestra sinapsis axoespinosas. A) El microscopio electrónico de transmisión per- mite estudiar la ultraestructura del sistema nervioso. B) Composición realizada a partir de varias imágenes de alto aumento y resolución que reconstruyen un segmento dendrítico. C) Se muestran dos espinas dendríticas (ﬂechas) que reciben contactos excitatorios desde terminales axónicos. Autor de las imágenes: Rubén Miranda. A B Figura 4-7. Estudio de neurogénesis adulta mediante las técnicas de detección inmunohistoquímicas. A) Sección de hipocampo de ratón adulto en la que se aprecian neuronas de nueva formación reveladas mediante inmunohistoquímica para bromodesoxiuridina (ﬂecha negra). B) La inmunohistoquímica para doblecortina (DCX) permite observar neuronas inmaduras (ﬂecha negra) y proyecciones dendríticas de nueva formación (punta de ﬂecha hueca) en la circunvolución dentada del hipocampo de ratones adultos. Cortesía de Dr. Luis J. Satín, Universidad de Málaga.
9. 119Capítulo 4. Exploración de los procesos cognitivos: metodología y técnicas Técnicas de conteo: estereología Uno de los aspectos que suele resultar clave en los análisis de los estudios histológicos consiste en la cuantiﬁcación de los diferentes elementos anatómicos o moleculares resaltados a través de las distintas técnicas o métodos de tinción. Una de las herramientas más ﬁables para realización de to- das estas estimaciones es la estereología, que se puede deﬁnir como un conjunto de métodos dirigidos a obtener información cuantitativa no sesgada de carácter geométrico-estadístico de un objeto de interés tridimensional, a partir de secciones bidi- mensionales del propio objeto. Los métodos de la estereología se han ido adaptando a las posibilidades de observación mi- croscópica del sistema nervioso a través de microscopios ópti- cos y electrónicos. En función del tipo de microscopio em- pleado y del tipo de secciones estudiadas, es pues posible emplear métodos estereológicos especíﬁcos. Así, por ejemplo, en aquellos casos en que se emplean secciones relativamente gruesas y es posible realizar secciones ópticas de estas seccio- nes, es decir, obtener varias imágenes a distintos niveles de profundidad dentro del grosor de una sección histológica, las técnicas del disector o fraccionador óptico permiten estimar el número de partículas (p. ej., neuronas) contenidas en un nú- cleo cerebral. Para ello basta con contabilizar un número de reducido de partículas que caen dentro de una serie de marcos de referencia o disectores que se sitúan de forma aleatoria den- tro de la región interés, ocupando un volumen conocido. Pos- teriormente, mediante la aplicación de fórmulas matemáticas especíﬁcas, se podrá, por ejemplo, obtener una estimación no sesgada –no inﬂuida por la forma o el tamaño de los objetos cuantiﬁcados ni por criterios subjetivos del investigador– del número total de neuronas contenidas en una región cerebral concreta (Fig. 4-8). Para las estimaciones de elementos obser- vables únicamente a través del microscopio electrónico, como las sinapsis, es posible igualmente hacer uso de métodos este- reológicos a pesar de no poder tomar imágenes en diferentes planos ópticos dentro de una sección. En estos casos el princi- pio de cuantiﬁcación es similar, si bien los disectores compara- dos no son ópticos sino físicos, y el volumen de cuantiﬁcación se construye a través de diferentes secciones consecutivas de la región cerebral estudiada. Mediante este método, conocido como disector físico, se hace posible, por ejemplo, estimar el número total de sinapsis formadas en una región cerebral sin necesidad de contabilizar todas y cada una de ellas (Fig. 4-8). Esta información resulta muy útil para establecer mapas citoarquitectónicos del cerebro y para estudiar los efectos que diferentes factores –como aspectos del desarrollo, manipula- ciones hormonales o cambios neuroquímicos por exposición a drogas o fármacos, lesiones y enfermedades– pueden tener sobre la organización cerebral. Para estimar el volumen de un área cerebral se puede aplicar el llamado principio de Cava- lieri, que permite obtener estimaciones no sesgadas a partir del área ocupada por la región de interés previamente seccio- Estos análisis cuantitativos y morfométricos pueden implicar desde estimaciones del número de neuro- nas, células gliales o sinapsis encontradas en una región cerebral hasta el cálculo del volumen de un núcleo cerebral o del tamaño de las propias células nerviosas, sus prolongaciones y sinapsis u otros ele- mentos subcelulares. ¡ A B C D Enfoque 1 Enfoque 2 Sección 1 Sección 2 Figura 4-8. Cuantiﬁcación estereológica: disector óptico, físico y fraccionador. Las técnicas estereológicas permiten estimar de forma no sesgada el número total de neuronas de una región ce- rebral. A) Se realizan cortes seriados de la estructura cerebral y se superponen de modo de formar un sistema o serie de ventanas de conteo o disectores sobre la superﬁcie de las secciones. B) Las partículas que aparecen seccionadas dentro del espacio de conteo o disector serán contabilizadas, evitando aquellas que entran en contacto con las líneas prohibidas del disector (representadas en rojo). C) Cuando se trabaja sobre secciones con cierto grosor y mi- croscopios que permiten tomar varios planos ópticos, se contabi- liza el número de partículas que aparecen cortadas en el primer plano de enfoque y en el segundo plano de enfoque que forman el volumen del disector. El número total de neuronas (N) se obtiene multiplicando el total de neuronas contadas aplicando el disector óptico (˚Q– ) por las recíprocas de las fracciones de sección (ssf), área (asf) y grosor (tsf) muestreadas (ssf: fracción de secciones muestreadas, proporción de secciones analizadas del total de sec- ciones obtenidas al cortar de forma seriada toda la estructura; asf: fracción de área muestreada, proporción de área que es analizada en las secciones muestreadas; se calcula como la razón del área de la ventana de conteo y el productor de las distancias entre las posiciones del disector en los ejes x e y dentro del plano de una sección; tsf: fracción de grosor muestreado). D) Alternativamente, al emplear secciones de escaso grosor y microscopios que no per- mite obtener diferentes planos ópticos dentro de una sección, se puede estimar la densidad neuronal mediante el disector físico. En este caso, se contabilizan las partículas que aparecen seccionadas en un plano y desaparecen en el siguiente. El número de neuronas por volumen se estima como la razón del número total de partícu- las contabilizadas y el producto del área muestreada por el grosor de las secciones. Otra de las aplicaciones más importantes de la es- tereología consiste en el cálculo del tamaño o volu- men de regiones cerebrales. ¡
10. 120 Sección I. Introducción a la neurociencia cognitiva nada de forma sistemática, es decir, produciendo cortes sepa- rados a intervalos regulares. A partir de imágenes digitaliza- das, y con un software especíﬁco, el área de la región de interés puede, por ejemplo, ser calculada a través del trazado de sus límites. Finalmente, para obtener la estimación de volumen por Cavalieri se multiplica la suma de las áreas obtenidas de la región de interés en todas las secciones por la distancia existente entre secciones (Fig. 4-9). Si bien este método se aplica comúnmente a secciones histológicas, el mismo princi- pio de Cavalieri se puede adaptar a las técnicas de neuroima- gen modernas y realizar, por ejemplo, estimaciones volumé- tricas de regiones del cerebro humano a partir de imágenes de resonancia magnética estructural que se corresponden con cortes de cerebro virtuales con un grosor e intervalo entre ellos conocidos. Técnicas de estudio del tejido nervioso in vivo: neuroimagen estructural Una de las primeras ocasiones en las que se empleó una técnica de imagen cerebral en la era moderna se produjo a principios del siglo XX de manera accidental.Así, la realización de radiografías a un individuo con laceración y fractura cra- neal con motivo del violento golpe de un tranvía mostró una gran dilatación de los ventrículos por la presencia intracraneal de un medio gaseoso. El desarrollo posterior de la neumoencefalografía consistió en la insuﬂación de aire en el espacio subaracnoideo mediante punción lumbar, produciendo desplazamiento del líquido ce- falorraquídeo que, al ser menos denso, aumentaba la visibili- dad de los espacios que en condiciones normales no podían visualizarse durante la exploración con rayos X. Tomografía computarizada El desarrollo de la técnica de los rayos X (radiaciones elec- tromagnéticas) permitió mejorar de forma importante la vi- sualización de la anatomía cerebral de seres humanos in vivo. Sin embargo, la técnica mejora sustancialmente las carac- terísticas de las técnicas previamente mencionadas. Al res- pecto, la resolución espacial aumenta por la mejora del bajo contraste observable entre las distintas zonas del cerebro, y reduce el riesgo para la salud asociado a la neumoencefalo- grafía. Los inventores de la TC, Godefrey Hounsﬁeld y Alan Cormack, recibieron el premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1979 por su trabajo y por la revolución que en medicina produjo su trabajo. Del mismo modo, la técnica también tuvo gran impacto en otras disciplinas cientíﬁcas de la neurocien- cia. En particular, la TC permitió mejorar la capacidad de los neuropsicólogos para establecer relaciones ente la localiza- ción de las lesiones cerebrales de los pacientes y sus déﬁcits cognitivos, a través de la observación de imágenes detalladas de la anatomía cerebral por un procedimiento prácticamente inocuo. En general, la técnica de los rayos X consiste en la emisión de radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza que las ondas de radio o las microondas hacia una zona del orga- nismo, con el ﬁn de impresionar una placa fotográﬁca situada detrás de la región irradiada. En función de la densidad de los distintos tejidos del cuerpo, la tasa de absorción de dichos ra- yos variará y, con ella, también la imagen impresionada. La persona que va a ser explorada mediante TC yace sobre su espalda con la cabeza situada dentro de un gran cilindro que s1 s4 s5 s2 s3 t t t t A1 A2 A3 A4 A5 Figura 4-9. Estimación volumétrica de Cavalieri. El método este- reológico de Cavalieri permite obtener la estimación del volumen de una estructura cerebral tridimensional (volumen de interés (Vol[i] ) a partir del área ocupada por la estructura (área de interés: Ai) en secciones bidimensionales (S1, S2, etc.) tomadas de cortes seriados de un grosor conocido (t) que son realizados sistemática- mente desde el inicio hasta el ﬁn de la estructura. Estimando el área ocupada por la región cerebral en un número determinado de secciones se puede derivar el volumen como el producto de la dis- tancia (T) entre secciones (incluyendo su grosor) y el sumatorio de las áreas estimadas. Pese al fallecimiento del paciente descrito por Luc- kett en 1913 a los 4 días de la intervención realizada para extraer el gas del encéfalo del paciente y aliviar la presión intracraneal, este caso supuso uno de los primeros registros neumoencefalográficos descri- tos en la bibliografía. › La técnica denominada tomografía computarizada (TC) consiste en una sofisticación de los rayos X con- vencionales y permite visualizar cortes o secciones del cerebro tanto en individuos sanos como en aque- llos que presentan algún trastorno cerebral. ¡
11. 121Capítulo 4. Exploración de los procesos cognitivos: metodología y técnicas contiene la fuente de rayos X en un lado y el detector en otro lado. El aspecto diferencial clave de la TC consiste en que el emisor y el receptor de rayos van rotando alrededor de la ca- beza, obteniendo imágenes desde distintas perspectivas.Ade- más, el emisor genera un único haz de rayos formando un plano. De esta forma, el haz de rayos llegará al receptor con mayor o menor intensidad según la densidad del tejido que traspase en cada uno de los cortes que realice. En función de la radiopacidad de las distintas estructuras en el interior del cráneo, las imágenes obtenidas variarán en torno a una escala de colores desde el blanco (hueso) al negro (líquido cefalorra- quídeo). El cruce de la información desde las distintas pers- pectivas proporciona una imagen en dos dimensiones (2D) del plano explorado (p. ej., horizontal), permitiendo además la generación de distintos cortes a diferentes alturas (Fig. 4-10). Al ﬁnal se puede obtener una serie de 8-9 imágenes del cerebro que, combinadas por ordenador, pueden ser empleadas para generar una imagen tridimensional (3D) del cerebro.Estas imá- genes permiten distinguir entre la sustancia gris y la sustancia blanca y pueden verse los ventrículos y otras estructuras cere- brales con una resolución de varios milímetros. Pese al bajo coste de la técnica, presenta algunos inconvenientes, como la invasividad y la baja resolución espacial y temporal, respecto a técnicas más modernas como la resonancia magnética. Imágenes por resonancia magnética La resonancia magnética (RM) se ha establecido desde su origen como la técnica de imagen que ofrece mayor resolución morfológica y anatómica. Su resolución espacial puede ser in- ferior al milímetro y su resolución temporal, inferior al se- gundo. Por ello, está permitiendo investigar los vínculos entre las características morfológicas, la función de los tejidos, el metabolismo, el volumen sanguíneo y la hemodinámica tanto en personas sanas como en pacientes con algún tipo de alte- ración.Además, se ha demostrado que la técnica es inocua, ya que la inserción del paciente en un campo magnético conven- cional para estos equipos no parece suponer un riesgo para la salud (habitualmente no se emplean campos superiores a 3 teslas, o 3 T). Figura 4-10. Serie de cortes obtenidos mediante tomografía computarizada de un cerebro humano empleando contraste intravenoso. Modiﬁcado de Mikael Häggström, Wikipedia Commons. La manera en que la radiación afecta a la salud de- pende, entre otras variables, de la dosis de ésta. Mientras que la exposición a dosis bajas de rayos X no es perjudicial, se sabe que la exposición a canti- dades masivas puede producir daños graves que comprenden desde quemaduras en la piel, caída del cabello, cáncer o, incluso, la muerte. ›
12. 122 Sección I. Introducción a la neurociencia cognitiva La explicación de los fundamentos técnicos de la RM ex- cede los objetivos del presente capítulo. En todo caso es posi- ble señalar algunas cuestiones básicas. En RM se emplean estas ondas electromagnéticas para «bombardear» los tejidos a frecuencias de radio del orden de los megahercios. Estos protones hacen de antena emisora y receptora, de modo que la interrupción del pulso provoca la reorientación del núcleo con magnetismo, que pasa de un estado de alta energía a un estado de relajación o baja ener- gía, «devolviendo» la energía que lo ha hecho desplazar. Esta devolución de energía puede ser captada desde el exterior mediante un sensor de campo magnético adecuado. El con- cepto de frecuencia de resonancia hace referencia a la fre- cuencia especíﬁca con la que cada núcleo con magnetismo resulta sensible. Los protones de los átomos de hidrógeno son los de interés en la RM (salvo en espectroscopia, como se verá más adelante). Una de las principales ventajas del estu- dio de este núcleo es el hecho de su elevada presencia en la mayor parte de los tejidos que conforman el sistema nervioso central (SNC) (Recuadro 4-2). Contraste en resonancia magnética Gracias a la RM es posible obtener, dentro de la misma sesión de registro, diferentes tipos de imagen que informan sobre las propiedades de los distintos tejidos observables en el sistema nervioso central. Cada una de estas imágenes muestra un contraste diferente (niveles de gris), lo que permite distin- guir tejidos. El contraste está determinado por múltiples fac- tores. De un modo sencillo, el contraste de la imagen depen- derá del instante en el que se adquiera la imagen en cuestión, ya que los diferentes tejidos se comportan de manera distinta pues los protones del átomo de hidrógeno se relajan de forma diferencial en función del entorno ﬁsicoquímico en el que se encuentren. En función del momento de adquisición de la imagen, se obtendrá una imagen de densidad protónica (con bajo contraste entre sustancia gris y blanca, que reﬂeja la cantidad absoluta de protones de hidrógeno en un tejido), una imagen ponderada enT1 o una imagen ponderada enT2 (Fig. 4-11). Las imágenes en T1 y T2 tienen un alto contraste, es decir, permiten distinguir con claridad las diferencias entre sustancia gris, sustancia blanca y líquido cefalorraquídeo. Las imágenes en T1 informan sobre la anatomía y permiten la detección de cambios morfológicos. Por otra parte, las imá- genes en T2 aportan información sobre la ﬁsiopatología, siendo muy útiles en la localización de lesiones en el SNC. En la ﬁgura 4-11 se puede observar el diferente comporta- miento de los tejidos en los diferentes tipos de imagen. Así, es posible medir el tamaño de determinadas estruc- turas del cerebro o del cerebro completo. Para ello, es preciso dibujar regiones de interés sobre las imágenes de RM obte- nidas y calcular cuál es el área o el volumen (en este caso se lo denomina volumen de interés) contenido dentro de esa área dibujada. Se trata de un procedimiento que puede ser El tesla (T) es la unidad de medida de electromagne- tismo dentro del sistema internacional de unidades (SI), denominada así en honor al físico y matemático austrohúngaro Nikola Tesla (1856-1943). 1 T equi- vale a 10.000 gauss (G) en el sistema cegesimal de unidades. Siendo el campo magnético de la Tierra de 0,3 a 0,7 G. El campo magnético empleado para re- sonancia magnética (1-3 T) es aproximadamente unas 30.000 a 80.000 veces superior al campo mag- nético de la Tierra, con el que se podría levantar un coche sin dificultad. › La RM se basa en el hecho físico de que los núcleos de algunas sustancias presentes en el cuerpo hu- mano (protones) se cargan de energía y alteran su orientación espacial cuando incide sobre ellos un pulso electromagnético de radiofrecuencia. ¡ Recuadro 4-2. Bases físicas de la resonancia magnética El núcleo de los átomos de hidrógeno sólo tiene un único protón, que tiene una propiedad denominada espín y que lo hace comportar como un pequeño imán. Así, los protones de los átomos de hidrógeno giran sobre su propio eje, es- tando el eje de cada protón orientado al azar en el espacio. El equipo de RM utiliza un potente electroimán para ali- near todos los ejes de los protones en el mismo sentido, para después someterlos a pulsos de radiofrecuencia. Al cesar el pulso, los protones de los átomos de hidrógeno que conforman los distintos tejidos cerebrales se reorien- tarán, devolviendo la señal que recibieron. La señal será captada mediante receptores electromagnéticos (antena) situados en la proximidad de la cabeza. La amplitud y la frecuencia de dicha señal son procesadas por un ordena- dor, con el fin de identificar la densidad de protones exis- tentes en el medio del que forman parte. El posproceso de toda la información obtenida permite la reconstrucción de imágenes en 2 y 3 dimensiones del interior de la cabeza. La presencia de variaciones en la densidad de protones de hidrógeno en las distintas partes del cerebro (líquido cefa- lorraquídeo, sustancia gris y sustancia blanca) y en su re- cubrimiento óseo producirá una imagen en escala de gri- ses en la que podrán distinguirse las diferentes regiones anatómicas del cerebro. Densidad protónica T1 T2 Figura 4-11. Imágenes de densidad protónica, potenciada en T1 y potenciada en T2. Las imágenes en T1 muestran gris la sustancia gris y blanca la sustancia blanca, siendo el líquido cefalorraquídeo negro. Las imágenes en T2 muestran la sustancia gris en blanco, la sustancia blanca en gris y el líquido cefalorraquídeo en blanco. Cor- tesía del Dr. Álvarez-Linera, Hospital Ruber Internacional, Madrid.
13. 123Capítulo 4. Exploración de los procesos cognitivos: metodología y técnicas aplicado a diferentes modalidades de imagen obtenidas con RM, pero habitualmente se realiza sobre las imágenes po- tenciadas en T1 con adquisiciones de alta resolución espacial (Fig. 4-13). No obstante, es un procedimiento costoso en cuanto al tiempo, ya que implica que una o varias personas dibujen esas regiones de interés sobre las imágenes de RM y que posteriormente se realicen estudios de ﬁabilidad entre evaluadores. En todo caso, este procedimiento es de enorme utilidad para la medición de diferentes estructuras, como el hipo- campo, aunque no es sensible a pequeños cambios en el vo- lumen de las estructuras, que pueden pasar desapercibidos para el investigador. En estos casos puede resultar de utilidad el uso de procedimientos más automatizados, como la morfo- metría basada en vóxeles. Morfometría basada en vóxeles. Existen numerosas evidencias de que el cerebro cambia su estructura y, en los últimos años, se ha mostrado que estos cambios son mucho más rápidos de lo que se pensaba. El desarrollo del indivi- duo, el envejecimiento, el abuso de drogas, las enfermedades psiquiátricas, la presencia de entornos enriquecidos o po- bres, el aprendizaje, etc. inﬂuyen rápidamente en el volumen cerebral. El procedimiento permite investigar las diferencias foca- les en la anatomía cerebral, incluyendo pequeñas diferen- cias entre individuos (Fig. 4-14). Para ello se necesitan imá- genes de RM con alta resolución, para su segmentación (procedimiento por el que se separa la sustancia gris, la sustancia blanca y el líquido cefalorraquídeo) y su norma- lización (deformando la imagen del cerebro hasta situarla en un tamaño estándar utilizado por la mayoría de investi- gadores), lo que permite realizar análisis estadísticos para cada uno de los vóxeles que forman la imagen y estudiar grupos más o menos grandes de individuos. El procedi- miento generalmente utilizado implica la comparación de un grupo de participantes con alguna característica de in- terés (enfermedad: demencia, esquizofrenia, trastorno de déﬁcit de atención con hiperactividad, etc. o con algún tipo de habilidad especíﬁca: navegación espacial –taxista–, ha- bilidad para hacer juegos malabares, etc.). Estos estudios han mostrado una diferencia entre el volumen de la sustan- cia gris en diferentes regiones del cerebro para diferentes grupos de participantes (taxistas, malabaristas, etc.). In- cluso es posible emplear esta metodología para el estudio de asimetrías cerebrales. Imágenes de difusión Todas las moléculas maniﬁestan un movimiento térmico cuando su temperatura es mayor que el cero absoluto. Anterior Posterior Derecha Izquierda Inferior Superior Figura 4-12. Imagen potenciada en T1 reconstruida en 3D. Se trata del cerebro estandarizado MNI (Montreal Neurological Institute), sobre el que la mayoría de los investigadores informan los resul- tados de sus trabajos cientíﬁcos. Figura 4-13. Volumetría. En las imágenes se han señalado en co- lor rojo las regiones cuyo volumen va a ser medido (hipocampos). Unidad de Investigación Proyecto Alzheimer, Fundación CIEN- Fundación Reina Sofía, Madrid. La RM es una técnica útil para identificar las lesio- nes de un paciente, ya que éstas generan variacio- nes en la densidad de protones de hidrógeno en las regiones cerebrales sobre las que se sitúan y, por lo tanto, pueden ser observadas en las imágenes obte- nidas. Éste es el caso de los tumores cerebrales, los accidentes cerebrovasculares o los traumatismos craneoencefálicos (Fig. 4-12). › Volumetría y análisis de regiones de interés. La morfometría o volumetría tradicional tiene como ob- jetivo estudiar las propiedades morfológicas de una estructura anatómica determinada, como el volu- men, la longitud, etcétera. ¡ Mediante el uso de la morfometría basada en vóxe- les es posible comparar la concentración de sustan- cia gris de una región del cerebro entre diferentes grupos de individuos o en el mismo individuo a lo largo del tiempo. ¡
14. 124 Sección I. Introducción a la neurociencia cognitiva Este movimiento de las moléculas es aleatorio cuando no se ve restringido por ninguna estructura, y es aproximada- mente igual en todas las direcciones del espacio, por lo que se dice que el movimiento es isotrópico. La RM aporta unas imágenes sensibles para medir la difu- sión del agua en el cerebro. De este modo, aquellas regiones del cerebro cuya difusión se ve disminuida por alguna razón se observan hiperintensas en la imagen de RM (Fig. 4-15).Algu- nas enfermedades muestran una restricción de la difusión, por ejemplo, las enfermedades desmielinizantes o en las que hay edema citotóxico. Así, las imágenes de difusión por RM cons- tituyen un procedimiento bien establecido para detectar, por ejemplo, isquemia cerebral, esclerosis múltiple, etc. mediante la identiﬁcación de áreas hiperintensas en la imagen. Tensor de difusión. Sin embargo, el movimiento brow- niano descrito no es igual en los tres ejes del espacio en aque- llos lugares donde la difusión del agua se ve restringida por algún tipo de limitación estructural. Así, cuando el movi- miento es mayor en una dirección que en otras, se dice que éste es anisotrópico. Esto es lo que ocurre en la sustancia blanca cerebral, en la que el movimiento se ve limitado en la dirección perpendicular al axón. Por el contrario, el movi- miento de estas moléculas es mayor en la dirección paralela al axón. Esta propiedad puede ser utilizada para deﬁnir la direc- ción de los axones contenidos dentro de cada vóxel de la ima- gen, que es en la que se basan las imágenes de DTI. Es, por lo tanto, una aplicación especíﬁca de las técnicas de difusión que permite estudiar la direccionalidad y la magnitud de la difu- sión del agua, y la visualización en vivo de la microestructura de los tejidos, aportando detalles sobre las características y la integridad de la sustancia blanca cerebral. La realización de un estudio de DTI implica la obtención de diferentes imágenes sensibles al movimiento de las moléculas de agua en, al menos, seis direcciones predeﬁnidas (la mayoría de los estudios actuales usan un número mayor, siendo habi- tual 15, 25, etc.). Así, mediante la obtención de este amplio número de imágenes y su posproceso se pueden calcular di- ferentes índices que describen la microestructura de la sustan- cia blanca (Fig. 4-16). Algunos de los índices más frecuentes son el coeﬁciente de difusión aparente, que es una medida de la magnitud del movimiento molecular dividido por la difusi- vidad total; la anisotropía fraccional, que es una medida rela- cionada con la direccionalidad de la difusión y con la forma del tensor de difusión en cada vóxel, la anisotropía relativa, que es una proporción entre las partes anisotrópica e isotró- pica del tensor, y el volume ratio, que reﬂeja la relación entre el volumen del elipsoide y el de una esfera cuyo radio es la difu- sividad media. Para visualizar esta información de un modo sencillo, es habitual emplear mapas de color (Fig. 4-16) en los que cada uno de los tres ejes que describen la dirección de las vías es coloreado con rojo (izquierda-derecha), verde (anterior-pos- terior) y azul (superior-inferior). Las imágenes de tensor de difusión puede verse afectadas por diferentes enfermedades o trastornos. La desorganización o lesión de algunos tractos en el cerebro se verá reﬂejada en las medidas de anisotropía, Figura 4-14. Morfometría basada en vóxeles. Las imágenes mues- tran las regiones en las que existe una diferencia en el volumen de la sustancia gris entre un grupo de pacientes con traumatismo craneoencefálico y un grupo de controles sanos. Unidad de Inves- tigación Proyecto Alzheimer, Fundación CIEN-Fundación Reina Sofía, Madrid. Figura 4-15. Imagen de difusión en la que se observa un infarto en fase aguda (hiperintenso). Cortesía del Dr. Álvarez-Linera, Hospital Ruber Internacional, Madrid. Las imágenes de difusión por RM se basan en un movimiento browniano de las moléculas de agua en el espacio, de modo que, la intensidad de cada vóxel de la imagen está reflejando una medida de la tasa de difusión de las moléculas de agua en ese pe- queño espacio. ¡
15. 125Capítulo 4. Exploración de los procesos cognitivos: metodología y técnicas como han mostrado diferentes estudios en envejecimiento, traumatismo craneoencefálico, esclerosis múltiple, etcétera. Recientemente, se ha desarrollado un procedimiento de análisis denominado imágenes por espectro de difusión (diffusion spectrum imaging, DSI), que permite un mayor nivel de análisis y detección de la dirección de las ﬁbras, sobre todo en aquellos lugares donde las ﬁbras se cruzan, algo que es complejo de analizar mediante técnicas convencionales de DTI. También es posible aplicar a las imágenes de tensor de di- fusión los procedimientos de la morfometría basada en vóxe- les ya descritos, que permiten caracterizar la existencia de cambios (o diferencias entre grupos) en la sustancia blanca cerebral. De este modo, es posible detectar qué conexiones del cerebro cambian a lo largo del tiempo en un grupo de pacien- tes que han sufrido algún tipo de lesión cerebral, o estudiar qué áreas guardan algún tipo de relación con el rendimiento en pruebas neuropsicológicas (Fig. 4-17). Tractografía. La tractografía es un tipo de imagen que se obtiene a partir de las imágenes de DTI. La información direc- cional de las imágenes puede ser utilizada para seguir la ruta de algunos de los tractos principales, lo que permite la visua- lización de las ﬁbras de sustancia blanca cerebral en imágenes tridimensionales. Éstas, más allá de su belleza, resultan de gran utilidad en el contexto clínico. Por ejemplo, en el ámbito de la neurocirugía, indican al cirujano la localización especí- ﬁca de algunos tractos de interés, permitiendo una mejor pla- niﬁcación de la intervención (Fig. 4-18). Espectroscopia por resonancia magnética En espectroscopia por resonancia magnética (ERM) se pretende cuantiﬁcar la concentración de protones de algu- nos compuestos químicos que se encuentran diluidos en el medio acuoso de los tejidos, en el cual realizan funciones metabólicas especíﬁcas (de donde deriva su nombre: meta- bolitos). No se trata realmente de imagen anatómica, sino de meta- bolismo o ﬁsiología cerebral, y su aplicación se beneﬁcia del uso de altos campos magnéticos. Así, aporta información bio- química de gran utilidad para el diagnóstico diferencial de diferentes enfermedades que afectan al SNC. Hoy es la única técnica que permite informar sobre el estado neuronal y glial del cerebro de un modo no invasivo y sin la necesidad de re- currir al uso de agentes externos. Anisotropía (fraccional) Mapa de color A B Figura 4-16. Imágenes de resonancia magnética por tensor de di- fusión (DTI). A) Mapa de anisotropía fraccional de un paciente con un traumatismo craneoencefálico frontal derecho. B) Mapa codiﬁ- cado en colores en un individuo sano, de modo que las ﬁbras ante- roposteriores quedan coloreadas en tonalidades verdes; las ﬁbras de izquierda a derecha, en rojo, y las ﬁbras ascendentes-descen- dentes, en azul. Cortesía del Dr. Álvarez-Linera, Hospital Ruber Internacional, Madrid. Figura 4-17. Se observan las áreas de la sustancia blanca cerebral que muestran una correlación con la velocidad lectora en un grupo de participantes sanos. Se trata de un análisis de correlación entre la anisotropía fraccional y el número de palabras leídas en un tiempo ﬁ- jado. En la gráﬁca de la derecha se observa una relación directa en la cual a mayor velocidad lectora, mayor anisotropía. Unidad de Inves- tigación Proyecto Alzheimer, Fundación CIEN-Fundación Reina Sofía. Madrid. Así, la ERM es una técnica que permite la medición incruenta de la concentración de determinados me- tabolitos en una región de interés seleccionada en el cerebro. ¡
16. 126 Sección I. Introducción a la neurociencia cognitiva El procedimiento exige la identiﬁcación y selección de una o varias regiones del cerebro de la que se van a obtener los datos. Dado que la concentración de los metabolitos es varios órdenes de magnitud inferior a la del agua en la que se en- cuentran disueltos, es preciso eliminar la señal para que sean detectables las pequeñas concentraciones de los metabolitos. Éstas se mostrarán en un gráﬁco que reﬂejará la composición química de un tejido, de modo que la altura de cada pico in- dica la concentración o cuantiﬁcación de metabolitos en la región seleccionada (Fig. 4-19). También es posible la obtención de índices o cocientes que ponen en relación las diferentes concentraciones de estos meta- bolitos.Porejemplo,elcocientecolina/creatinapermiteunacuan- tiﬁcación del grado de proliferación celular en tumores y el co- ciente mioinositol/creatina reﬂeja alteraciones hipocampales. Incluso pueden ser útiles para el estudio de los procesos cogniti- vos,como el cociente NAA/colina,que es un buen marcador en el hipocampo para predecir el rendimiento de la memoria verbal. ■ REGISTRO DE LA ACTIVIDAD ELÉCTRICA CEREBRAL Otro conjunto de procedimientos derivados del registro y la estimulación eléctrica en el cerebro ha ido evolucionando a lo largo de años para proporcionar información sobre la fun- ción del cerebro. Figura 4-18. Tractografía. Se muestra en tres secciones dife- rentes la reconstrucción me- diante tractografía de distintas vías de interconexión cerebral o haces de sustancia blanca de un solo individuo. Cortesía del Dr. Álvarez-Linera, Hospital Ruber Internacional, Madrid. INO COL CRT NAA Figura 4-19. Espectroscopia. Se observan dos gráﬁcos co- rrespondientes a dos regio- nes diferentes seleccionadas en un paciente. Se observan diferentes concentraciones de metabolitos para cada una de ellas. Esta información permite al radiólogo estable- cer el diagnóstico apropiado para cada paciente. Las dos gráﬁcas muestran diferencias de amplitud entre varios de los picos medidos en las dos regiones seleccionadas, como en el caso del pico denominado mioinositol (INO), relacionado con la integridad de las células gliales. COL: colina; CRT: creatina; NAA: N-acetilaspartato. Cortesía del Dr. Álvarez-Linera, Hospital Ruber Internacional, Madrid. Recuadro 4-3. Metabolitos observados con mayor frecuencia • N-Acetilaspartato (NAA): su papel exacto no se conoce, pero sólo se encuentra en el SNC, ya que se produce en la mitocondria de la neurona. Por ello, se lo considera un marcador neuronal que indica la densidad de neuro- nas y guarda relación con la capacidad de recuperación neuronal tras una lesión. • Creatina: generalmente se utiliza como metabolito de referencia, ya que la longitud del pico que genera suele ser constante, y refleja el estado del sistema energético celular y su almacenamiento. • Colina: es un precursor de la síntesis de acetilcolina y de la fosfatidilcolina de las membranas celulares. Por ello, se puede tomar como un marcador de un aumento del metabolismo de las membranas, por ejemplo, en procesos proliferativos (tumores cerebrales) o en pro- cesos de degradación de membrana (como en las enfer- medades desmielinizantes). • Mioinositol: es un marcador específico glial. • Lactato: es un marcador de metabolismo anaerobio, de modo que este pico no es detectable en el SNC sano, pero sí en condiciones patológicas, como la isquemia/hipoxia. • Lípidos móviles: se toman como marcadores de necro- sis, de gran utilidad en determinadas situaciones pato- lógicas.
17. 127Capítulo 4. Exploración de los procesos cognitivos: metodología y técnicas Quizás uno de los primeros antecedentes del estudio neu- roﬁsiológico del cerebro procede de los experimentos de Luigi Galvani en el siglo XVIII. En ellos se proporcionaron las prime- ras pruebas sobre la relación entre la corriente eléctrica y la actividad del sistema nervioso. En particular, la observación de la contracción de las ancas de rana colgadas de un cable en un mercado callejero durante la caída de rayos de una tormenta llevó a Galvani a establecer las bases de las técnicas de registro y estimulación eléctrica del sistema nervioso. Registro de la actividad eléctrica de neuronas únicas y pequeños grupos Buena parte del conocimiento actual sobre el funciona- miento del sistema nervioso se debe al desarrollo de métodos de registro invasivos de la actividad eléctrica de las neuronas. Estos métodos permiten el registro intracelular o extracelular de una unidad celular (mediante el registro de la actividad de la membrana y sus canales con técnicas como el patch-clamp), así como el registro extracelular de la actividad de grupos dis- cretos de células. En la situación de registro se insertan uno o varios mi- croelectrodos en el tejido cerebral. En función del tipo de sen- sor empleado, la actividad registrada corresponderá bien a cambios en el potencial de membrana de una neurona indivi- dual, bien a los del potencial de un conjunto más amplio de neuronas que permanecen próximas entre sí. Las neuronas de diferentes regiones cerebrales muestran patrones espontáneos de descarga, incluso en ausencia de es- timulación, que pueden variar desde 1 a 100 descargas por segundo. El registro de la actividad de neuronas individuales trata de establecer diferencias de descarga respecto a dichos niveles basales. Por otro lado, el uso de microelectrodos con punta de mayor tamaño para el registro de unidades múltiples ofrece a los investigadores la posibilidad de estudiar el com- portamiento de grupos celulares funcionalmente relaciona- dos. Este tipo de experimentos puede ayudar a explicar la forma en que se produce la codiﬁcación neuronal en los pro- cesos cognitivos. No obstante, y dado el alto grado de invasi- vidad de la técnica, el empleo de esta metodología en seres humanos suele verse restringido al estudio de pacientes neu- rológicos prequirúrgicos. En animales experimentales, sin embargo, estas técnicas permiten observar in vivo la actividad neuronal durante la rea- lización de diversas tareas con demandas cognitivas especíﬁ- cas. Por ejemplo, en el ámbito de estudio del aprendizaje y la memoria espacial, la investigación neuroﬁsiológica dirigida a registrar la actividad de poblaciones neuronales del hipo- campo ha dado como resultado el descubrimiento por parte de O’Keefe y Dostrovsky en 1971 de células que participan de forma especíﬁca en la codiﬁcación de lugares, permitiendo la elaboración de un mapa cognitivo o representación del espa- cio. Estas neuronas, denominadas «células de lugar», se des- cargan cuando los animales se sitúan en localizaciones preci- sas del espacio y permiten informar al sujeto de su posición. Asimismo, más recientemente (2000) se observó que estas células de lugar son algo más que indicadores espaciales y que pueden codiﬁcar aspectos relacionados con información epi- sódicos, es decir, estas células informan –además de dónde ha estado y hacia dónde se dirige el animal– información relacio- nada con la formación de memorias episódicas (v. Material web. Contenido complementario. Electroﬁsiología in vivo y células de lugar). Por otro lado, uno de los ejemplos más ilustrativos de la aplicación de esta metodología al estudio de los procesos cog- nitivos superiores es el de los trabajos del español Joaquín Fuster con primates. En particular, este autor ha venido esta- bleciendo la importancia de determinadas porciones de las cortezas prefrontales en el mantenimiento a corto plazo de información relevante para la tarea en curso (memoria de tra- bajo). En estas situaciones investigadas, los sujetos experi- mentales son entrenados para asociar la aparición de una se- ñal con la obtención de una recompensa que se demora unos segundos. Los primates obtienen la recompensa en función de su capacidad para recordar la posición indicada por la señal tras el transcurso del período de demora. Según los resultados de estos trabajos, existen neuronas en las cortezas prefrontales dorsolaterales que permanecen activadas durante dichos in- tervalos de tiempo y cuya ﬁnalidad consistiría en mantener activa la información relativa a la localización de la señal que marca la recompensa. Otra variante de la técnica de registro directo invasivo de la actividad eléctrica cerebral consiste en la aplicación de «mantas» de electrodos sobre la superﬁcie del cerebro para la obtención de corticografías. Dichas mantas están formadas por una superﬁcie de material ﬂexible que incorpora una serie de electrodos (entre 20 y 60 electrodos) cuya distancia entre sí determinará el nivel de resolución espacial de las respues- tas observadas. Las mantas se sitúan sobre la superﬁcie del cerebro de los individuos (subduralmente), con el ﬁn de re- gistrar la actividad de la superﬁcie cerebral. Una de las más claras ventajas de la técnica frente a las técnicas no invasivas análogas como el electroencefalograma (EEG) convencional es el mayor nivel de resolución espacial en la localización de la actividad eléctrica del cerebro (del orden de los milíme- tros). Una de las aplicaciones más directas de esta técnica se ha desarrollado en torno al ámbito de la cirugía de la epilep- sia en seres humanos. En este contexto la técnica permite localizar con gran precisión la localización del foco epileptó- geno que se ha de extirpar, y proporciona descripción deta- llada de las áreas que deben ser preservadas para la conser- El término patch-clamp se refiere a un conjunto de técnicas electrofisiológicas que permiten el estudio del comportamiento de canales iónicos individuales en células nerviosas mediante el pinzamiento de la membrana celular empleando micropipetas de vidrio. › El principal objetivo del registro de la actividad de las neuronas se centra en el estudio de las variacio- nes del potencial eléctrico generadas por las varia- ciones en la tasa de disparo de dichas células ante distintas manipulaciones experimentales. ¡
18. 128 Sección I. Introducción a la neurociencia cognitiva vación de funciones básicas para el individuo. A menudo las mantas de electrodos, una vez colocadas, pueden permanecer implantadas en el cerebro del paciente durante los días ante- riores a la cirugía de cara a monitorizar la actividad epileptó- gena de interés. Electroencefalograma y potenciales evocados Cuando una neurona es excitada, la permeabilidad de la membrana que la envuelve cambia,permitiendo la libre circula- ción de iones a su través (principalmente,el sodio).Transcurrido un período de tiempo corto, se restaura el equilibrio inicial. Este movimiento de iones da lugar a una corriente dentro de la cé- lula, transmitida a los tejidos cercanos y denominada «corriente de volumen».Pueden distinguirse dos tipos de actividad neuro- nal: el potencial de acción (propagación del campo eléctrico a lo largo de las ﬁbras nerviosas) y los potenciales postsinápticos. El potencial de acción puede describirse como un cuadri- polo, cuyos campos eléctrico y magnético decaen más rápida- mente que los del dipolo. El potencial postsináptico se puede describir como un di- polo eléctrico que dura varias decenas de milisegundos. La suma de dicho ﬂujo da por resultado potenciales de conduc- ción de volumen que pueden ser registrados en el cuero cabe- lludo, como en el caso del EEG (Fig. 4-20). Cada uno de los canales de registro (líneas continuas) que muestra el EEG co- rresponderá a la diferencia de potencial registrada por cada electrodo en la región cerebral adyacente a él. Una de las medidas derivadas del EEG más empleadas en neurociencia cognitiva para el estudio de las relaciones entre los cambios en la actividad eléctrica cerebral y el procesa- miento cognitivo son los potenciales evocados relacionados con acontecimientos discretos (término en inglés Event Rela- ted Potentials o ERPs). El electroencefalograma es una técnica de registro de la actividad eléctrica cerebral no invasiva que proporciona información neurofisiológica con una precisión de milisegundos y que, por lo tanto, ayuda a revelar dicha dinámica de la función cortical. ¡ Como punto de partida, la electricidad puede ser de- finida como el flujo de electrones desde un cuerpo que contiene más carga (más electrones) a otro con carga menor. El polo negativo tiene mayor carga eléctrica y el positivo es el que menos carga tiene. El voltaje refleja la diferencia de potencial eléctrico en- tre los dos polos. Por ello, la corriente eléctrica –que se mide en amperios (unidad de intensidad de co- rriente eléctrica)– puede definirse como el flujo de electrones que se establece entre el polo negativo y el positivo por unidad de tiempo. › Un dipolo eléctrico es un sistema de dos cargas de signo opuesto e igual magnitud cercanas entre sí.› Figura 4-20. Electroencefalo- grama. Registro continuo de la actividad electroencefalográ- ﬁca durante un período de 10 segundos de duración. A la de- recha, abajo, se muestra una representación esquemática de la colocación de los 28 elec- trodos de registro empleados y posicionados sobre la superﬁ- cie del cuero cabelludo de acuerdo con el sistema inter- nacional 10-20. Laboratorio de Psicobiología, Universidad de las Islas Baleares. Los potenciales evocados cerebrales son fluctuacio- nes de voltaje visibles en el EEG e inducidas por los cambios de la actividad del cerebro, que están aso- ciadas temporalmente a la ocurrencia de estímulos sensoriales, motores o sucesos cognitivos. ¡
19. 129Capítulo 4. Exploración de los procesos cognitivos: metodología y técnicas Los potenciales evocados proporcionan una medida di- recta y no invasiva del curso temporal de la actividad cere- bral, y consisten en una secuencia de ﬂuctuaciones de vol- taje positivas y negativas, denominadas componentes. Los componentes reﬂejan diferentes procesos sensoriales, mo- tores y cognitivos que se clasiﬁcan en función de su distri- bución en el cuero cabelludo, su respuesta a las variables experimentales, su polaridad (positiva o negativa) y su la- tencia (Fig. 4-21 y Recuadro 4-4). A continuación, se revisarán algunas de las principales fa- ses de la medición de los potenciales evocados cerebrales, ha- ciendo referencia a los conceptos de adquisición, ampliﬁca- ción, promediado, representación gráﬁca y análisis. Adquisición El proceso de adquisición de la señal constituye la primera fase del registro de la actividad eléctrica cerebral. Los electro- dos son los captadores de dicha señal y deben estar compues- tos de materiales conductores químicamente inactivos –como el oro, la plata, o el platino–, para evitar que alteren el registro. Los electrodos se aplicarán a la superﬁcie del cuero cabelludo junto con el uso de un gel electrolítico (salino) y abrasivo que contribuye a reducir la resistencia de la piel producida por el estrato córneo. Otro de los aspectos que deben tenerse en cuenta es el posicionamiento de los electrodos a lo largo del cuero cabelludo. El sistema internacional 10-20 proporciona una forma estandarizada de colocación de los electrodos. Di- cho sistema recibe su nombre del hecho de que las posiciones básicas para la ubicación de los electrodos distan entre sí un 10 o un 20 % de la medida total del cráneo, considerada a partir de los ejes sagital (desde el nasion o hendidura superior del hueso nasal, al inion o punto de unión del cráneo con la espina dorsal) y coronal (desde un conducto auditivo al otro). Amplificación Dado que la actividad eléctrica cerebral es una de las señales ﬁsiológicas más débiles,resulta imprescindible el uso de ampli- ﬁcadores diferenciales para su medición. En el caso de los po- tenciales evocados, los factores de ampliﬁcación más emplea- dos aumentan la señal de entrada registrada por los electrodos entre 100.000 y 1.000.000 de veces. Además, el uso de ampliﬁ- cadores diferenciales ejercerá de ﬁltro ante posibles fuentes no N200 10 μV -2 μV 100 200 300 400 500 600 ms P300 Figura 4-21. Potenciales evocados. En la parte inferior se muestra la representación en ejes de coordenadas de un potencial evocado visual ante un estímulo diana que debía ser respondido (electrodo Pz). Cada línea del trazado representa un potencial evocado en condiciones experimentales diferentes (línea punteada: primera respuesta del individuo en la tarea; línea ﬁna: segunda respuesta; línea gruesa: tercera respuesta consecutiva). Cada línea de la grá- ﬁca fue obtenida calculando el promedio de 30 respuestas indivi- duales de cada individuo, en un grupo de 15 participantes. En la parte superior de la ﬁgura se muestran los topogramas obtenidos mediante 28 electrodos de registro durante dos momentos tempo- rales diferentes (260 y 350 ms), coincidiendo con los componentes denominados N200 (con distribución frontocentral) y P300 (con distribución parietal). Como puede observarse, los picos o compo- nentes de los potenciales N200 y P300 muestran diferencias de amplitud entre las tres condiciones experimentales comparadas. Una posible interpretación de los datos sería que la respuesta ce- rebral aumenta a medida que los participantes consolidan en su memoria la regla de respuesta. Laboratorio de Psicobiología, Uni- versidad de las Islas Baleares. Existen componentes de los potenciales evocados exógenos o tempranos y endógenos o tardíos. Mien- tras los primeros responden principalmente a varia- bles externas al individuo, como las características físicas de los estímulos (cuya latencia suele ser infe- rior a los 100 ms), los endógenos están más relacio- nados con variables psicológicas (con latencias supe- riores a los 100 ms). › Recuadro 4-4. Los potenciales evocados y sus componentes Una onda o componente puede ser cuantitativamente ca- racterizada mediante tres dimensiones: amplitud, laten- cia y distribución en el cuero cabelludo. La amplitud pro- porciona un indicador de la extensión de la actividad neural y de cómo el componente responde funcionalmente a las variables experimentales. La latencia, o momento temporal en el que el pico de amplitud tiene lugar, aporta información sobre el curso temporal de dicha activación. La distribución por el cuero cabelludo proporciona infor- mación del gradiente de voltaje de un componente en un momento temporal concreto, y suele relacionarse con las estructuras anatómicas subyacentes. Pese a que existen dificultades a la hora de determinar qué regiones anató- micas específicas son responsables de un determinado componente, la distribución espacial de éste aporta infor- mación complementaria a la ofrecida por la amplitud y la latencia, permitiendo –por ejemplo– la realización de infe- rencias para determinar si dos estímulos generan patro- nes de actividad neural diferente y, por lo tanto, procesos funcionales distintos.
20. 130 Sección I. Introducción a la neurociencia cognitiva relacionadas con la actividad que se desea medir. Ello se debe al principio de rechazo o cancelación de la señal común: la se- ñal ampliﬁcada es la diferencia entre los dos valores de entrada; cuando a dos electrodos llega la misma señal (por estar a la misma distancia del foco de actividad neural), el ampliﬁcador registrará una actividad igual a cero. La ventaja de esta caracte- rística o principio de cancelación común es que permite elimi- nar algunas de las fuentes indeseadas de actividad, por ejem- plo, artefactos procedentes del propio cuerpo o del exterior. Promediado El hecho de que la señal de los potenciales evocados sea muy pequeña (1-30 mV) en relación con la actividad elec- troencefalográﬁca de fondo (p. ej., 50 mV durante el registro de la actividad espontánea en vigilia) hace que para su obser- vación también sea necesario el empleo de técnicas de prome- diado. La obtención exitosa de un componente es una función que depende de la razón entre la señal y el ruido medidos durante el registro. Esta función está determinada por la am- plitud del componente en relación con la amplitud de la acti- vidad EEG de fondo, el número de ensayos que hayan sido promediados para la obtención de una onda, y la cantidad de artefactos (o ruido eléctrico) contenida en el registro original. En general, con una media de 15-30 ensayos se podrá obtener una buena razón entre la señal y el ruido registrados. La can- tidad de ruido existente en un promedio disminuye en rela- ción con la función 1/√N, donde N es el número de ensayos o épocas incluidas en el promedio del potencial evocado. Representación gráfica La forma más habitual de representación de los potenciales evocados es mediante el uso de ejes de coordenadas voltaje- tiempo, en los que el potencial evocado aparece como una curva o sucesión de crestas y valles para cada uno de los elec- trodos de registro. Pese a no ser una fase imprescindible en el análisis cuantitativo de los resultados, resulta conveniente por la información cualitativa que ofrece en cuanto a la calidad de la señal registrada, por la posible necesidad del uso de otro tipo de ﬁltros digitales e –incluso– por las tendencias genera- les sobre la validez de las hipótesis de trabajo. Existen otras formas de representación graﬁca de los resultados, como los mapas topográﬁcos (Fig. 4-22). Constituyen una forma de re- presentación derivada de la amplitud y la latencia de los com- ponentes, y pueden tomar dos formas fundamentales: mapas de rangos de voltaje y mapas de densidad de corriente. Los primeros reﬂejan la suma de actividad cortical y subcortical que ocurre en un momento temporal determinado en una lo- calización espacial especíﬁca. Los mapas de densidad de co- rriente, por su parte, representan únicamente la actividad cor- tical de la superﬁcie del cuero cabelludo mediante el uso de algoritmos de ﬁltrado (ﬁltros espaciales) que eliminan la con- ducción de volumen de la actividad subcortical. Análisis En última estancia, el análisis de los potenciales evocados implica de forma convencional la comparación de la amplitud o la latencia de un componente dado en distintas condiciones experimentales (diseños de medidas repetidas), o la compara- ción de la misma condición experimental entre grupos de in- dividuos con características diferentes (diseños de medidas independientes). Como ejemplo de un diseño de medidas repetidas que trate de establecer el momento temporal en que la atención visual ejerce su inﬂuencia en la secuencia del pro- cesamiento de la información, podrían compararse los poten- ciales evocados visuales de un individuo cuando atienda a los estímulos presentados en la pantalla con los potenciales evo- cados visuales registrados ante esos mismos estímulos cuando deban ser ignorados por los participantes. Las diferencias en- tre las curvas obtenidas ante estímulos atendidos e ignorados comenzarían, según los estudios de atención, en torno a los 100 ms posteriores a la presentación de las imágenes, mos- trando mayor amplitud los componentes de la condición atendida. Por otro lado, un ejemplo de diseño de medidas in- dependientes que pretenda explorar las diferencias entre ni- ños con trastorno por déﬁcit de atención con hiperactividad y niños sanos podría tratar de comparar los potenciales evoca- dos obtenidos en ambas muestras durante la presentación de estímulos atendidos. Magnetoencefalografía Toda corriente eléctrica genera un campo magnético per- pendicular a ella y, por consiguiente, resulta posible medir dicho campo magnético fuera de la cabeza. En un estudio de magnetoencefalografía (MEG) se registran los débiles campos A B C Figura 4-22. Magnetoencefalografía. A) Registro continuo de 1 se- gundo de duración que muestra la actividad magnética registrada ante un único evento sensorial auditivo. Cada línea representa la actividad registrada por cada uno de los sensores de campo mag- nético o coils. Los huecos blancos del trazado reﬂejan la actividad magnética evocada por un parpadeo (ruido) de mayor intensidad que la actividad cerebral (señal). B) Representación en ejes de coordenadas (eje X: tiempo en milisegundos, eje Y: amplitud del campo magnético) de un potencial evocado magnético, colapsados todos los canales de registro en torno al eje X. C) Representación en la superﬁcie de la cabeza de un campo magnético evocado por un estímulo auditivo a los 107 ms, correspondiendo con el instante marcado por la línea azul en B. Centro MEG-Complutense, Dr. Pé- rez Modrego.
21. 131Capítulo 4. Exploración de los procesos cognitivos: metodología y técnicas magnéticos (del orden de femtoteslas o fT) originados por las corrientes eléctricas que se generan en el cerebro. Estas corrientes y, por lo tanto, sus campos magnéticos asociados también tienen su origen en la actividad de las neu- ronas. La MEG registrará fundamentalmente los potenciales neuronales postsinápticos. La detección extracraneal de los campos magnéticos está también determinada por las carac- terísticas morfológicas neuronales y por su orientación con respecto a la superﬁcie. Las capas II, IV y VI están pobladas por las denominadas células estrelladas, cuya disposición en estrella hace que no puedan generar un campo magnético sig- niﬁcativo (disposición de campo cerrado). Por otra parte, las células piramidales, que constituyen un 70 % de la corteza cerebral, tienen una estructura lineal cuyas dendritas se dispo- nen paralelamente entre sí y perpendicularmente a la super- ﬁcie de la corteza. Por lo tanto, estas neuronas, al activarse, podrán generar un campo magnético identiﬁcable de acuerdo con un modelo dipolar. Además, debido a la disposición per- pendicular del campo magnético con respecto a la corriente eléctrica a la que está asociado, la MEG es una técnica ade- cuada para medir la actividad de las neuronas situadas en las cisuras o surcos, las cuales suponen dos tercios de la superﬁcie de la corteza. De todo esto se deriva que la MEG es preferen- temente sensible a las corrientes tangenciales a la superﬁcie de la corteza, generadas sobre todo por las neuronas pirami- dales de las capas III y IV. Sin embargo, una neurona activada no da lugar a un campo magnético susceptible de ser medido con MEG. Lo normal, no obstante, es que un área de varios milímetros cuadrados se excite de forma simultánea. Si se tiene en cuenta que aproximadamente 100.000 neuronas es- tán presentes en un área de 1 mm2 , aunque sólo la mitad de estas sean neuronas piramidales, ello supone que un número considerable de células están activadas al mismo tiempo. Se ha estimado que son necesarias al menos 30.000 neuronas activadas simultáneamente para que se puedan medir los campos magnéticos resultantes. Los registros de MEG se realizan utilizando un neuromag- netómetro compuesto por un número variable de sensores de campo magnético (p. ej., 148 canales). Posteriormente, y al igual que en la técnica de los potenciales evocados, los cam- pos magnéticos evocados de cada ensayo se promedian jun- tos, y posteriormente se procede a la eliminación de los posi- bles artefactos aparecidos en el registro. Los movimientos de ojos y los parpadeos son importantes fuentes biológicas de artefactos en el registro de MEG. Otras fuentes de artefactos pueden ser la actividad muscular de la cara y el cuello, así como la actividad cardíaca. Al igual que en el caso de los po- tenciales evocados, la medición de las señales de MEG asocia- das a los procesos cognitivos de interés se realiza calculando un promedio de entre 50 y 200 respuestas cerebrales indivi- duales (épocas) marcadas por la presentación de un misto tipo de evento (p. ej., un estímulo que debe ser atendido), optimi- zando así la relación señal/ruido (Fig. 4-22). Obtenidos los promedios asociados a las distintas condiciones experimenta- les de interés, el procedimiento de comparación estadística podrá realizarse mediante distintos procedimientos de análi- sis. Entre ellos, el más convencional implica, al igual que en el caso de los potenciales evocados, la comparación de la ampli- tud o la latencia de los componentes magnéticos observados entre las distintas condiciones experimentales. Aun así, exis- ten otros procedimientos de análisis de los resultados que se describirán en el siguiente apartado (v. Material web. Conte- nido complementario. Registro simultáneo de magnetoence- falografía y electroencefalografía). Métodos de análisis de las señales mediante electroencefalograma y magnetoencefalografía Pese a que hasta el momento este capítulo se ha centrado en la descripción de la metodología de análisis del EEG y la MEG en el dominio del tiempo, como en el caso del análisis convencional de los potenciales evocados, el análisis espectral constituye otra fuente de información adicional sobre las se- ñales electromagnéticas cerebrales y la relación de éstas con los procesos cognitivos. Dicho análisis espectral se basa en la idea de que cualquier actividad oscilatoria puede ser caracte- rizada como la suma de diferentes ondas sinusoidales que ﬂuctúan a diferentes frecuencias y amplitudes. El objetivo del análisis espectral, generalmente basado en la utilización de la transformada rápida de Fourier, consiste en estimar la contri- bución de las distintas frecuencias a las señales del EEG o potenciales evocados registrados. Entre las aplicaciones clási- cas del estudio de las bandas de frecuencia en el EEG, destaca la del estudio de las fases del sueño. Así, se sabe que cuando los individuos están en estado de alerta durante la vigilia o durante las fases del sueño paradójico en que se producen ensoñaciones (sueño REM, movimientos oculares rápidos) los patrones de actividad del EEG muestran actividad rápida cuya frecuencia se denomina ritmo beta. Por otra parte, los estados de relajación, especialmente cuando las personas permanecen con los ojos cerrados, muestran un patrón más lento en el EEG, con ondas denominadas ritmos alfa (con una frecuencia aproximada de 10 Hz). Por su parte, las ondas theta y delta (de 4-7 y 1-3 ciclos por segundo, respectivamente) son patro- nes característicos de las fases de sueño reparador o sueño profundo. De este modo, el análisis de la frecuencia del EEG proporciona una medida muy sensible a los estados de con- ciencia de los individuos y una importante herramienta clínica para el diagnóstico del estado cerebral en pacientes que han sufrido lesiones cerebrales. Pese a la importante información ofrecida por el análisis espectral y la relación de los cambios en las frecuencias com- ponentes del EEG o la MEG y diferentes estados de activación ﬁlológica y procesos cerebrales, dicho análisis no puede ofre- cer información sobre el curso temporal de dichos cambios. Dado que los campos electromagnéticos del cerebro son fenó- menos dinámicos y variantes en el tiempo, la perspectiva de análisis simultáneo en los dominios de tiempo y frecuencia parece altamente relevante. Desde esta perspectiva, las seña- les de EEG y MEG son concebidas como versiones transfor- madas escaladas de una función matemática particular (deno- minada wavelet), en vez de como un conjunto de frecuencias componentes de tipo Fourier (Fig. 4-23). Femtotesla (fT) es un submúltiplo de la unidad de electromagnetismo o tesla (T): 1 fT = 10–15 T.›
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