Neuroimagen - Neuroimaging

Neuroimagen
Resonancia magnética paraagital de cabeza humana en paciente con macrocefalia familiar benigna antes de lesión cerebral (ANIMADO) .gif
Resonancia magnética parasagital de la cabeza en un paciente con macrocefalia familiar benigna .
Objetivo estructura de imagen indirecta (directamente), función / farmacología del sistema nervioso

La neuroimagen o imagen del cerebro es el uso de diversas técnicas para obtener imágenes directa o indirectamente de la estructura , función o farmacología del sistema nervioso . Es una disciplina relativamente nueva dentro de la medicina , la neurociencia y la psicología . Los médicos que se especializan en la realización e interpretación de neuroimágenes en el entorno clínico son neurorradiólogos . La neuroimagen se divide en dos categorías amplias:

Las imágenes funcionales permiten, por ejemplo, visualizar directamente el procesamiento de información por los centros del cerebro. Tal procesamiento hace que el área involucrada del cerebro aumente el metabolismo y se "ilumine" en la exploración. Uno de los usos más controvertidos de la neuroimagen ha sido la investigación de la " identificación del pensamiento " o lectura de la mente.

Historia

Imagen de resonancia magnética funcional (fMRI) de una cabeza, desde la parte superior hasta la base del cráneo

El primer capítulo de la historia de la neuroimagen se remonta al neurocientífico italiano Angelo Mosso, quien inventó el "equilibrio de la circulación humana", que podía medir de forma no invasiva la redistribución de la sangre durante la actividad emocional e intelectual.

En 1918, el neurocirujano estadounidense Walter Dandy introdujo la técnica de la ventriculografía. Las imágenes de rayos X del sistema ventricular dentro del cerebro se obtuvieron mediante la inyección de aire filtrado directamente en uno o ambos ventrículos laterales del cerebro. Dandy también observó que el aire introducido en el espacio subaracnoideo a través de una punción lumbar podía entrar en los ventrículos cerebrales y también demostrar los compartimentos de líquido cefalorraquídeo alrededor de la base del cerebro y sobre su superficie. Esta técnica se denominó neumoencefalografía .

En 1927, Egas Moniz introdujo la angiografía cerebral , mediante la cual los vasos sanguíneos normales y anormales dentro y alrededor del cerebro podían visualizarse con gran precisión.

A principios de la década de 1970, Allan McLeod Cormack y Godfrey Newbold Hounsfield introdujeron la tomografía axial computarizada (TAC o TAC), y se dispuso de imágenes anatómicas cada vez más detalladas del cerebro con fines de diagnóstico e investigación. Cormack y Hounsfield ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1979 por su trabajo. Poco después de la introducción de la CAT a principios de la década de 1980, el desarrollo de radioligandos permitió la tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT) y la tomografía por emisión de positrones (PET) del cerebro.

Más o menos al mismo tiempo, la resonancia magnética (RM o exploración por RM) fue desarrollada por investigadores como Peter Mansfield y Paul Lauterbur , quienes recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2003. A principios de la década de 1980, la RM se introdujo clínicamente y durante la La década de 1980 tuvo lugar una verdadera explosión de refinamientos técnicos y aplicaciones de diagnóstico por resonancia magnética. Los científicos pronto descubrieron que los grandes cambios en el flujo sanguíneo medidos por PET también podrían obtenerse mediante el tipo correcto de resonancia magnética. Nació la resonancia magnética funcional (fMRI) y, desde la década de 1990, la fMRI ha llegado a dominar el campo del mapeo cerebral debido a su baja invasividad, falta de exposición a la radiación y disponibilidad relativamente amplia.

A principios de la década de 2000, el campo de la neuroimagen llegó a una etapa en la que las aplicaciones prácticas limitadas de las imágenes cerebrales funcionales se han vuelto factibles. El área de aplicación principal son las formas burdas de interfaz cerebro-computadora .

Indicaciones

La neuroimagen sigue a un examen neurológico en el que un médico ha encontrado motivos para investigar más profundamente a un paciente que tiene o puede tener un trastorno neurológico .

Uno de los problemas neurológicos más comunes que puede experimentar una persona es un simple síncope . En los casos de síncope simple en los que la historia del paciente no sugiere otros síntomas neurológicos, el diagnóstico incluye un examen neurológico, pero las imágenes neurológicas de rutina no están indicadas porque la probabilidad de encontrar una causa en el sistema nervioso central es extremadamente baja y el paciente es poco probable. beneficiarse del procedimiento.

La neuroimagen no está indicada para pacientes con dolores de cabeza estables que se diagnostican como migraña. Los estudios indican que la presencia de migraña no aumenta el riesgo de enfermedad intracraneal de un paciente. Un diagnóstico de migraña que advierte la ausencia de otros problemas, como edema de papila , no indica la necesidad de una neuroimagen. En el curso de la realización de un diagnóstico cuidadoso, el médico debe considerar si el dolor de cabeza tiene una causa distinta a la migraña y podría requerir una neuroimagen.

Otra indicación para la neuroimagen es la cirugía estereotáctica o radiocirugía guiada por TC, MRI y PET para el tratamiento de tumores intracraneales, malformaciones arteriovenosas y otras afecciones tratables quirúrgicamente.

Técnicas de imágenes cerebrales

Tomografía axial computarizada

La tomografía computarizada (TC) o la tomografía axial computarizada (TAC) utiliza una serie de radiografías de la cabeza tomadas desde muchas direcciones diferentes. Usado típicamente para ver rápidamente lesiones cerebrales , la tomografía computarizada usa un programa de computadora que realiza un cálculo integral numérico (la transformada inversa de radón ) en la serie de rayos X medida para estimar qué cantidad de un haz de rayos X se absorbe en un pequeño volumen de el cerebro. Normalmente, la información se presenta como secciones transversales del cerebro.

Imágenes ópticas difusas

La imagen óptica difusa (DOI) o la tomografía óptica difusa (DOT) es una modalidad de imagen médica que utiliza luz infrarroja cercana para generar imágenes del cuerpo. La técnica mide la absorción óptica de la hemoglobina y se basa en el espectro de absorción de la hemoglobina que varía con su estado de oxigenación. La tomografía óptica difusa de alta densidad (HD-DOT) se ha comparado directamente con la resonancia magnética funcional utilizando la respuesta a la estimulación visual en sujetos estudiados con ambas técnicas, con resultados tranquilizadores similares. HD-DOT también se ha comparado con fMRI en términos de tareas de lenguaje y conectividad funcional en estado de reposo.

Señal óptica relacionada con eventos

La señal óptica relacionada con eventos (EROS) es una técnica de exploración del cerebro que utiliza luz infrarroja a través de fibras ópticas para medir los cambios en las propiedades ópticas de las áreas activas de la corteza cerebral. Mientras que técnicas como la imagen óptica difusa (DOT) y la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) miden la absorción óptica de la hemoglobina y, por lo tanto, se basan en el flujo sanguíneo, EROS aprovecha las propiedades de dispersión de las propias neuronas y, por lo tanto, proporciona una respuesta mucho más directa. medida de la actividad celular. EROS puede identificar la actividad en el cerebro en milímetros (espacialmente) y en milisegundos (temporalmente). Su mayor inconveniente es la incapacidad de detectar actividad a más de unos pocos centímetros de profundidad. EROS es una técnica nueva, relativamente económica que no es invasiva para el sujeto de prueba. Fue desarrollado en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, donde ahora se usa en el Laboratorio de Neuroimagen Cognitiva del Dr. Gabriele Gratton y la Dra. Monica Fabiani.

Imagen de resonancia magnética

Corte sagital de resonancia magnética en la línea media.

La resonancia magnética (IRM) utiliza campos magnéticos y ondas de radio para producir imágenes bidimensionales o tridimensionales de alta calidad de las estructuras cerebrales sin el uso de radiación ionizante (rayos X) o trazadores radiactivos.

el récord de resolución espacial más alta de un cerebro entero intacto (post mórtem) es de 100 micrones, del Hospital General de Massachusetts. Los datos se publicaron en NATURE el 30 de octubre de 2019.

Imagen de resonancia magnética funcional

Corte axial de resonancia magnética a nivel de los ganglios basales , que muestra cambios en la señal de IRMf en negrita superpuestos en tonos rojo (aumento) y azul (disminución).

La resonancia magnética funcional (fMRI) y el etiquetado de espín arterial (ASL) se basan en las propiedades paramagnéticas de la hemoglobina oxigenada y desoxigenada para ver imágenes de los cambios en el flujo sanguíneo en el cerebro asociados con la actividad neural. Esto permite generar imágenes que reflejan qué estructuras cerebrales se activan (y cómo) durante la realización de diferentes tareas o en estado de reposo. Según la hipótesis de la oxigenación, los cambios en el uso de oxígeno en el flujo sanguíneo cerebral regional durante la actividad cognitiva o conductual pueden asociarse con las neuronas regionales como directamente relacionadas con las tareas cognitivas o conductuales a las que se atiende.

La mayoría de los escáneres de resonancia magnética funcional permiten presentar a los sujetos diferentes imágenes visuales, sonidos y estímulos táctiles, y realizar diferentes acciones, como presionar un botón o mover un joystick. En consecuencia, la resonancia magnética funcional se puede utilizar para revelar estructuras y procesos cerebrales asociados con la percepción, el pensamiento y la acción. La resolución de la resonancia magnética funcional es de aproximadamente 2-3 milímetros en la actualidad, limitada por la extensión espacial de la respuesta hemodinámica a la actividad neural. Ha reemplazado en gran medida a la PET para el estudio de los patrones de activación cerebral. La PET, sin embargo, conserva la ventaja significativa de poder identificar receptores (o transportadores ) cerebrales específicos asociados con neurotransmisores particulares a través de su capacidad para obtener imágenes de "ligandos" de receptores radiomarcados (los ligandos de receptores son cualquier sustancia química que se adhiera a los receptores).

Además de la investigación en sujetos sanos, la resonancia magnética funcional se utiliza cada vez más para el diagnóstico médico de enfermedades. Debido a que la fMRI es sumamente sensible al uso de oxígeno en el flujo sanguíneo, es extremadamente sensible a los cambios tempranos en el cerebro que resultan de la isquemia (flujo sanguíneo anormalmente bajo), como los cambios que siguen a un accidente cerebrovascular . El diagnóstico temprano de ciertos tipos de accidente cerebrovascular es cada vez más importante en neurología, ya que las sustancias que disuelven los coágulos de sangre se pueden usar en las primeras horas después de que ocurren ciertos tipos de accidente cerebrovascular, pero su uso posterior es peligroso. Los cambios cerebrales observados en la resonancia magnética funcional pueden ayudar a tomar la decisión de tratar con estos agentes. Con una precisión de entre el 72% y el 90%, donde la probabilidad alcanzaría el 0,8%, las técnicas de resonancia magnética funcional pueden decidir cuál de un conjunto de imágenes conocidas está viendo el sujeto.

Magnetoencefalografía

La magnetoencefalografía (MEG) es una técnica de imagen que se utiliza para medir los campos magnéticos producidos por la actividad eléctrica en el cerebro a través de dispositivos extremadamente sensibles, como dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID) o magnetómetros libres de relajación de intercambio de espín (SERF). MEG ofrece una medición muy directa de la actividad eléctrica neuronal (en comparación con la resonancia magnética funcional, por ejemplo) con una resolución temporal muy alta pero una resolución espacial relativamente baja. La ventaja de medir los campos magnéticos producidos por la actividad neural es que es probable que estén menos distorsionados por el tejido circundante (particularmente el cráneo y el cuero cabelludo) en comparación con los campos eléctricos medidos por electroencefalografía (EEG). Específicamente, se puede demostrar que los campos magnéticos producidos por la actividad eléctrica no se ven afectados por el tejido de la cabeza circundante, cuando la cabeza se modela como un conjunto de conchas esféricas concéntricas, cada una de las cuales es un conductor homogéneo isotrópico. Las cabezas reales no son esféricas y tienen conductividades en gran parte anisotrópicas (en particular, materia blanca y cráneo). Si bien la anisotropía del cráneo tiene un efecto insignificante en MEG (a diferencia del EEG), la anisotropía de la materia blanca afecta fuertemente las mediciones de MEG para fuentes radiales y profundas. Sin embargo, tenga en cuenta que en este estudio se asumió que el cráneo era uniformemente anisotrópico, lo que no es cierto para una cabeza real: los espesores absolutos y relativos de las capas de diploë y tablas varían entre y dentro de los huesos del cráneo. Esto hace que sea probable que MEG también se vea afectado por la anisotropía del cráneo, aunque probablemente no en el mismo grado que el EEG.

La MEG tiene muchos usos, como ayudar a los cirujanos a localizar una patología, ayudar a los investigadores a determinar la función de varias partes del cerebro, neurofeedback y otros.

Tomografía de emisión de positrones

La tomografía por emisión de positrones (PET) y la tomografía por emisión de positrones del cerebro miden las emisiones de sustancias químicas metabólicamente activas marcadas radiactivamente que se han inyectado en el torrente sanguíneo. Los datos de emisión se procesan por computadora para producir imágenes bidimensionales o tridimensionales de la distribución de las sustancias químicas en todo el cerebro. Los radioisótopos emisores de positrones utilizados son producidos por un ciclotrón , y los productos químicos están marcados con estos átomos radiactivos. El compuesto marcado, llamado radiotrazador , se inyecta en el torrente sanguíneo y finalmente llega al cerebro. Los sensores del escáner PET detectan la radiactividad a medida que el compuesto se acumula en varias regiones del cerebro. Una computadora utiliza los datos recopilados por los sensores para crear imágenes multicolores de 2 o 3 dimensiones que muestran dónde actúa el compuesto en el cerebro. Son especialmente útiles una amplia gama de ligandos utilizados para mapear diferentes aspectos de la actividad de los neurotransmisores, siendo con mucho el trazador de PET más utilizado una forma marcada de glucosa (ver Fludesoxiglucosa (18F) (FDG)).

El mayor beneficio de la exploración por TEP es que diferentes compuestos pueden mostrar el flujo sanguíneo y el metabolismo del oxígeno y la glucosa en los tejidos del cerebro en funcionamiento. Estas medidas reflejan la cantidad de actividad cerebral en las diversas regiones del cerebro y permiten aprender más sobre cómo funciona el cerebro. Las tomografías por emisión de positrones fueron superiores a todos los demás métodos de imágenes metabólicas en términos de resolución y velocidad de finalización (tan solo 30 segundos) cuando estuvieron disponibles por primera vez. La resolución mejorada permitió realizar un mejor estudio del área del cerebro activada por una tarea en particular. El mayor inconveniente del escaneo PET es que debido a que la radiactividad decae rápidamente, se limita a monitorear tareas cortas. Antes de que la tecnología de resonancia magnética funcional entrara en línea, la exploración por PET era el método preferido de obtención de imágenes cerebrales funcionales (en oposición a las estructurales), y continúa haciendo grandes contribuciones a la neurociencia .

La exploración por PET también se utiliza para el diagnóstico de enfermedades cerebrales, sobre todo porque los tumores cerebrales, los accidentes cerebrovasculares y las enfermedades que dañan las neuronas que causan demencia (como la enfermedad de Alzheimer) causan grandes cambios en el metabolismo cerebral, que a su vez provoca cambios fácilmente detectables en la PET. exploraciones. PET es probablemente más útil en casos tempranos de ciertos tipos de demencia (con ejemplos clásicos siendo la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Pick ) donde el daño temprano es demasiado difusa y produce muy poca diferencia en el volumen del cerebro y la estructura bruta para cambiar la TC y las imágenes de resonancia magnética estándar suficiente como para ser capaz de diferenciarlo de manera confiable del rango "normal" de atrofia cortical que ocurre con el envejecimiento (en muchas pero no todas) personas, y que no causa demencia clínica.

Tomografía computarizada por emisión de fotón único

La tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT) es similar a la PET y usa radioisótopos emisores de rayos gamma y una cámara gamma para registrar datos que una computadora usa para construir imágenes bidimensionales o tridimensionales de regiones cerebrales activas. La SPECT se basa en una inyección de marcador radiactivo, o "agente SPECT", que es absorbido rápidamente por el cerebro pero no se redistribuye. La absorción del agente SPECT se completa casi en un 100% en 30 a 60 segundos, lo que refleja el flujo sanguíneo cerebral (FSC) en el momento de la inyección. Estas propiedades de SPECT lo hacen particularmente adecuado para la obtención de imágenes de epilepsia, que generalmente se dificulta por problemas con el movimiento del paciente y tipos variables de convulsiones. SPECT proporciona una "instantánea" del flujo sanguíneo cerebral, ya que las exploraciones se pueden adquirir después de la terminación de la convulsión (siempre que el marcador radiactivo se haya inyectado en el momento de la convulsión). Una limitación significativa de la SPECT es su mala resolución (aproximadamente 1 cm) en comparación con la de la resonancia magnética. Hoy en día, las máquinas SPECT con cabezales detectores dobles se utilizan comúnmente, aunque las máquinas con cabezales detectores triples están disponibles en el mercado. La reconstrucción tomográfica (utilizada principalmente para "instantáneas" funcionales del cerebro) requiere múltiples proyecciones de las cabezas detectoras que giran alrededor del cráneo humano, por lo que algunos investigadores han desarrollado máquinas SPECT con cabeza detectora 6 y 11 para reducir el tiempo de obtención de imágenes y dar mayor resolución.

Al igual que la PET, la SPECT también se puede utilizar para diferenciar diferentes tipos de procesos patológicos que producen demencia, y se utiliza cada vez más para este propósito. Neuro-PET tiene la desventaja de requerir el uso de trazadores con vidas medias de 110 minutos como máximo, como la FDG . Estos deben fabricarse en un ciclotrón y son costosos o incluso no están disponibles si los tiempos de transporte necesarios se prolongan más de unas pocas vidas medias. SPECT, sin embargo, puede utilizar trazadores con semividas mucho más largas, como el tecnecio-99m, y como resultado, está mucho más disponible.

Ecografía craneal

La ecografía craneal generalmente solo se usa en bebés, cuyas fontanelas abiertas proporcionan ventanas acústicas que permiten obtener imágenes de ultrasonido del cerebro. Las ventajas incluyen la ausencia de radiación ionizante y la posibilidad de un escaneo de cabecera, pero la falta de detalles de los tejidos blandos significa que se prefiere la resonancia magnética para algunas afecciones.

Imagen de ultrasonido funcional

La imagen por ultrasonido funcional (FUS) es una técnica de imagen por ultrasonido médica para detectar o medir cambios en las actividades neurales o el metabolismo, por ejemplo, los loci de la actividad cerebral, típicamente a través de la medición del flujo sanguíneo o cambios hemodinámicos. La ecografía funcional se basa en el Doppler ultrasensible y la ecografía ultrarrápida que permite obtener imágenes del flujo sanguíneo de alta sensibilidad.

Magnetómetro cuántico de bombeo óptico

En junio de 2021, los investigadores informaron sobre el desarrollo del primer escáner cerebral cuántico modular que utiliza imágenes magnéticas y podría convertirse en un nuevo enfoque de exploración de todo el cerebro.

Ventajas e inquietudes de las técnicas de neuroimagen

Imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI)

La resonancia magnética funcional se clasifica comúnmente como un riesgo mínimo a moderado debido a su no invasividad en comparación con otros métodos de imagen. La fMRI utiliza un contraste dependiente del nivel de oxigenación de la sangre (BOLD) para producir su forma de imagen. El contraste BOLD es un proceso que ocurre naturalmente en el cuerpo, por lo que a menudo se prefiere la resonancia magnética funcional a los métodos de imágenes que requieren marcadores radiactivos para producir imágenes similares. Una preocupación en el uso de fMRI es su uso en personas con implantes o dispositivos médicos y elementos metálicos en el cuerpo. La resonancia magnética (MR) emitida por el equipo puede causar fallas en los dispositivos médicos y atraer objetos metálicos en el cuerpo si no se revisa adecuadamente. Actualmente, la FDA clasifica los implantes y dispositivos médicos en tres categorías, según la compatibilidad con RM: seguro para RM (seguro en todos los entornos de RM), inseguro para RM (inseguro en cualquier entorno de RM) y RM condicional (compatible con RM en determinados entornos, que requieren más información).

Tomografía computarizada (TC)

La tomografía computarizada se introdujo en la década de 1970 y rápidamente se convirtió en uno de los métodos de obtención de imágenes más utilizados. Una tomografía computarizada se puede realizar en menos de un segundo y producir resultados rápidos para los médicos, ya que su facilidad de uso conduce a un aumento en las tomografías computarizadas realizadas en los Estados Unidos de 3 millones en 1980 a 62 millones en 2007. Los médicos a menudo toman múltiples tomografías , con el 30% de las personas sometidas al menos a 3 exploraciones en un estudio sobre el uso de la exploración por TC. Las tomografías computarizadas pueden exponer a los pacientes a niveles de radiación de 100 a 500 veces más altos que los rayos X tradicionales, con dosis de radiación más altas que producen imágenes de mejor resolución. Si bien es fácil de usar, el aumento en el uso de la tomografía computarizada, especialmente en pacientes asintomáticos, es un tema de preocupación ya que los pacientes están expuestos a niveles significativamente altos de radiación.

Tomografía por emisión de positrones (PET)

En las tomografías por emisión de positrones, las imágenes no se basan en procesos biológicos intrínsecos, sino que se basan en una sustancia extraña inyectada en el torrente sanguíneo que viaja al cerebro. A los pacientes se les inyectan radioisótopos que se metabolizan en el cerebro y emiten positrones para producir una visualización de la actividad cerebral. La cantidad de radiación a la que está expuesto un paciente en una tomografía por emisión de positrones es relativamente pequeña, comparable a la cantidad de radiación ambiental a la que está expuesta una persona durante un año. Los radioisótopos de PET tienen un tiempo de exposición limitado en el cuerpo, ya que por lo general tienen vidas medias muy cortas (~ 2 horas) y se descomponen rápidamente. Actualmente, la resonancia magnética funcional es un método preferido para obtener imágenes de la actividad cerebral en comparación con la PET, ya que no implica radiación, tiene una resolución temporal más alta que la PET y está más disponible en la mayoría de los entornos médicos.

Magnetoencefalografía (MEG) y electroencefalografía (EEG)

La alta resolución temporal de MEG y EEG permite que estos métodos midan la actividad cerebral hasta en milisegundos. Tanto MEG como EEG no requieren la exposición del paciente a radiación para funcionar. Los electrodos de EEG detectan señales eléctricas producidas por neuronas para medir la actividad cerebral y MEG usa oscilaciones en el campo magnético producido por estas corrientes eléctricas para medir la actividad. Una barrera en el uso generalizado de MEG se debe a los precios, ya que los sistemas MEG pueden costar millones de dólares. El EEG es un método mucho más utilizado para lograr una resolución temporal, ya que los sistemas EEG cuestan mucho menos que los sistemas MEG. Una desventaja de EEG y MEG es que ambos métodos tienen una resolución espacial deficiente en comparación con la fMRI.

Críticas y advertencias

Algunos científicos han criticado las afirmaciones basadas en imágenes cerebrales hechas en revistas científicas y la prensa popular, como el descubrimiento de "la parte del cerebro responsable" de funciones como talentos, recuerdos específicos o generar emociones como el amor. Muchas técnicas de mapeo tienen una resolución relativamente baja, que incluyen cientos de miles de neuronas en un solo vóxel . Muchas funciones también involucran múltiples partes del cerebro, lo que significa que este tipo de afirmación probablemente no sea verificable con el equipo utilizado y, en general, se base en una suposición incorrecta sobre cómo se dividen las funciones cerebrales. Es posible que la mayoría de las funciones cerebrales solo se describan correctamente después de medirlas con mediciones mucho más detalladas que no observan grandes regiones sino una gran cantidad de pequeños circuitos cerebrales individuales. Muchos de estos estudios también tienen problemas técnicos como un tamaño de muestra pequeño o una calibración deficiente del equipo, lo que significa que no se pueden reproducir, consideraciones que a veces se ignoran para producir un artículo de revista sensacional o un titular de noticias. En algunos casos, las técnicas de mapeo cerebral se utilizan con fines comerciales, detección de mentiras o diagnóstico médico de formas que no han sido validadas científicamente.

Ver también

Referencias

enlaces externos