Exploración de los procesos cognitivos en Neurociencia Cognitiva

Neurociencia Cognitiva

Exploración de los procesos cognitivos

Índice Esquema Ideas clave

2.1. Introducción y objetivos 2.2. Técnicas estructurales 2.3. Técnicas funcionales 2.4. Paradigmas experimentales 2.5. Referencias bibliográficas A fondo No es oro todo lo que reluce. El problema de la RMf De paseo por la neuroimagen funcional Test@ Universidad Internacional de La Rioja (UNIR)

I EXPLORACIÓN DE LOS PROCESOS COGNITIVOS NEUROIMAGEN

PARADIGMA EXPERIMENTAL Estructural Funcional A partir de un diseño experimental genera suposiciones y técnicas que constituyen un modelo -> Marco teórico.

TAC Angiografía PET BOLD RMf IRM VBM Perfusión Espectroscopia DTI Tiempo/Frecuencia EEG/MEG PER 3

Esquema de Paradigmas Conocidos

Esquema Paradigmas conocidos Tema 2. Esquema Neurociencia CognitivaIdeas clave

Introducción y Objetivos del Tema

2.1. Introducción y objetivos A través de este tema el alumno obtendrá conocimientos de las principales técnicas de neuroimagen (tanto estructurales como funcionales) a nivel del funcionamiento de la técnica, a nivel de aplicación y de funcionalidad. A su vez, el alumno logrará comprender qué es un paradigma experimental y conocerá algunos de los paradigmas experimentales que han marcado el curso de la neurociencia actual. Por tanto, los objetivos que pretendemos conseguir a través de este tema son:

• Conocer el funcionamiento y aplicabilidad de las técnicas de neuroimagen tanto funcionales como estructurales.
• Ser capaces de diferenciar las técnicas funcionales de las estructurales.
• Comprender qué técnicas son más adecuadas según el objetivo.
• Conocer los principales paradigmas experimentales.

@ Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Neurociencia Cognitiva Tema 2. Ideas clave 4Ideas clave

Técnicas Estructurales

Tomografía Axial Computarizada (TAC)

2.2. Técnicas estructurales Tomografía axial computarizada (TAC) La TC empezó a comercializarse en 1983, lo que facilitó el establecimiento de relaciones entre localizaciones de lesión cerebral y los déficits cognitivos. Se puede decir que la TC es una versión compleja y especializada de los rayos X, ya que estos comprimen un objeto tridimensional en dos dimensiones, mientras que la TC permite reconstruir un espacio tridimensional desde una imagen comprimida bidimensionalmente (Gazzaniga et al., 2014; Redolar Ripoll, 2013).

A continuación, se explicará de manera simplificada el funcionamiento de la tomografía computarizada (Gazzaniga et al., 2014; Redolar Ripoll, 2013):

• Los aspectos conceptuales iniciales son muy similares a los de los rayos X. La radiación que se emite para ambas técnicas es la misma que recibimos a través de ondas de radio o microondas, no obstante, la magnitud de las ondas es mucho mayor en estos casos.
• Esta radiación se emite hacia una zona específica del organismo (en el caso de la neurociencia va a ser principalmente hacia el encéfalo) con el fin de que esa radiación atraviese la zona y se impresione en una placa fotográfica situada detrás de la región de interés (ROI).
• Dependiendo de la densidad del tejido atravesado por la radiación, la tasa de absorción de esos rayos por el organismo variará. Por tanto, los restos de radiación que llegan a la placa dependerá de la densidad del tejido.
• Es a partir de este punto, que la TC se empieza a diferenciar de los rayos X. Ya que el emisor y receptor de los rayos no se mantiene estático, sino que rota alrededor del área a estudiar y crea proyecciones secuenciales en un arco de 180o.
• Esto generará una imagen bidimensional que será transformada por un software @ Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Neurociencia Cognitiva Tema 2. Ideas clave 5Ideas clave muy sofisticado para formar una imagen tridimensional de corte transversal.

X-ray tube Detector X-ray beam

Figura 1. Imagen esquemática del funcionamiento del TAC en conjunto con la obtenida de un TAC. Fuente: Gazzaniga et al., 2014.

Como ya hemos dicho, la imagen va a depender de la densidad de los tejidos, al ser muy denso el hueso se verá de un blanco intenso, mientras que el líquido cefalorraquídeo al tener una densidad muy baja se presentará en negro. En cuanto a la sustancia blanca y gris se diferenciara por diferentes tonalidades de grises, sin embargo, hay un problema y es que la densidad de estas dos sustancias es muy similar, por lo que la resolución espacial no es especialmente buena (Redolar Ripoll, 2013).

Si bien esta técnica sigue utilizándose en la actualidad ampliamente debido a su bajo coste, cada vez se emplea menos, y en casos más complejos o específicos esta técnica es sustituida por otras técnicas estructurales como la resonancia magnética (Redolar Ripoll, 2013). Esto se debe principalmente a la baja resolución espacial mencionada con anterioridad y a la iatrogenia que genera. Del posible efecto negativo sobre la salud que puede provocar una TC se ha hablado largo y @ Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Neurociencia Cognitiva Tema 2. Ideas clave 6Ideas clave extendido, ya que la cantidad de radiación que emite es mucho más elevada que la de los rayos X, es por eso por lo que se espacian los tiempos de exposición a esta técnica.

Dentro de esta técnica tambien se han derivado otras técnicas mas específicas.

Angiografía Cerebral

Angiografía Es un método usado para evaluar el sistema circulatorio en el encéfalo. Nos permite visualizar la distribución de la sangre por las principales arterias y venas. Esta técnica funciona igual que la TC, aunque con un ligero cambio, ya que se inyectará una tinción al flujo sanguíneo (normalmente en las arterias carótidas o vertebrales) que permitirá observar el flujo sanguíneo del encéfalo (Becks et al., 2019; Gazzaniga et al., 2014).

(a) NCCT (b) CTA

Figura 2. Comparación de un TC sin contraste (a) y una angiografía (b). Fuente: Becks et al., 2019.

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Resonancia Magnética (RM)

Resonancia magnética (RM) Si bien la TC sigue siendo una tecnica ampliamente extendida, la resonancia magnética cobra cada vez más importancia debido a su gran resolución espacial (inferior a un milímetro) y a que es una técnica inocua (Gazzaniga et al., 2014; Maestú Unturbe et al., 2008; Redolar Ripoll, 2013).

Esta técnica, si bien superior, es mucho más costosa y presenta una mayor dificultad conceptual y práctica (lo que dificulta su comprensión a la hora del estudio por personas no especializadas), ya que involucra aspectos cuánticos y matemáticos muy complejos (Maestú Unturbe et al., 2008). No obstante, a continuación, se intentará explicar a grandes rasgos el funcionamiento de la resonancia magnética en términos de física básica.

De manera general, para hacerse una idea de cómo funciona la resonancia, lo que hace es explotar las propiedades magnéticas de los átomos de los que está hecho el tejido, básicamente, bombardea el tejido con ondas electromagnéticas (campo magnético) y con frecuencias de ondas de radio (Carlson, 2014; Gazzaniga et al., 2014; Maestú Unturbe et al., 2008; Redolar Ripoll, 2013).

Los que reciben estas ondas son unos átomos, en concreto átomos de hidrógeno, los cuales se encuentran ampliamente extendidos por todo el organismo debido a la gran cantidad de agua que contiene el cuerpo, el cual contiene un único protón con una propiedad denominada espín (rotación) que le hace comportarse de una manera específica (Gazzaniga et al., 2014; Maestú Unturbe et al., 2008).

Este proton de hidrógeno, como hemos dicho, se encuentra en constante movimiento rotando sobre su propio eje con movimientos aleatorios. El sentido de esta rotación va a depender de la carga energética que tenga, así hablamos de protones en estado paralelo (baja energía) o en estado antiparalelo (alta energía) (Maestú Unturbe et al., 2008).

@ Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Neurociencia Cognitiva Tema 2. Ideas clave 8Ideas clave Hasta aquí los protones se están comportando de manera natural sin la intervención de la resonancia magnética. Es ahora cuando se induce un campo magnético producido por la resonancia sobre los protones que se encuentran en estado de baja energía (solo se puede influir en estos porque los otros ya están «cargados» de energía). Este campo magnético inducido por la resonancia es muy potente y se encuentra medido en teslas, con esa terminología la mayoría de las resonancias presentan teslas de entre 0,5 y 1,5 (Gazzaniga et al., 2014; Maestú Unturbe et al., 2008).

Es en esta primera fase de la resonancia que aparece el primer problema y es que el hecho de que los protones estén en estado paralelo o antiparalelo va a depender principalmente de la temperatura, y como el ser humano se encuentra a una temperatura entre 36o y 37o, una gran parte de estos protones se va a encontrar en estado antiparalelo y por lo tanto no van a poder ser influenciados por el campo magnético producido por la resonancia (Maestú Unturbe et al., 2008).

Mientras tanto, el resto de los protones que se encuentran en estado paralelo al ser influenciados por el campo magnético se van a alinear, generando un movimiento de peonza en torno a su propio eje y en dirección paralela al eje del campo magnético (Carlson, 2014; Gazzaniga et al., 2014; Maestú Unturbe et al., 2008). Es aquí donde entra otro concepto físico denominado frecuencia Larmor (que, si bien no explicaremos, debemos comprender que se relaciona con este movimiento de protones), que nos da la ecuación necesaria para poder procesar posteriormente la imagen (Maestú Unturbe et al., 2008).

Una vez los protones se encuentran alineados con el campo magnético, se induce también una onda de radiofrecuencia precisa, la cual absorben los protones transformando a estos de estado antiparalelo a paralelo (Carlson, 2014; Gazzaniga et al., 2014; Maestú Unturbe et al., 2008). A través de una serie de cálculos, el campo magnético adquiere una serie de grados específicos respecto al eje @ Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Neurociencia Cognitiva Tema 2. Ideas clave 9Ideas clave principal, que por una serie de cálculos nos permite seleccionar cortes específicos en cualquier plano (Maestú Unturbe et al., 2008).

Tras esto, la onda de radiofrecuencia se interrumpe, haciendo que de nuevo los protones que se encontraban ahora en estado de alta energía vuelvan a perder la energía obtenida (este proceso se llama proceso de relajación). Esta energía se va a perder a través de la emisión de una señal de radio la cual se denomina señal de decaimiento de inducción libre, que contiene toda la información sobre el corte que hemos pedido a la resonancia, la cual va a ser recogida por los detectores que se encuentran alrededor del área que queríamos estudiar (Carlson, 2014; Gazzaniga et al., 2014; Maestú Unturbe et al., 2008; Redolar Ripoll, 2013).

Figura 3. Esquema visual del proceso de la resonancia magnética a nivel atómico: (1) sin la influencia magnética los protones rotan de manera aleatoria; (2) cuando son expuestos a un campo magnético de la MRI se alinean en la orientación de ese campo (los protones con una flecha hacia arriba indican estado paralelo o baja energía, hacia abajo, antiparalelo o alta energía); (3) cuando la onda de radiofrecuencia es aplicada, los protones se mueven de manera previsible en un estado de elevada energía; (4) cuando el pulso se apaga, los protones liberan la energía y vuelven a la orientación del campo magnético. Fuente: Gazzaniga et al., 2014.

Al medir sistematicamente las señales la resonancia magnética puede, mediante un análisis matemático, reconstruir una imagen basada en la distribución de los protones y otros agentes magnéticos del tejido, generando la imagen tridimensional (Maestú Unturbe et al., 2008).

Hasta aquí podemos entender cómo se obtiene la imagen de la resonancia magnética, no obstante, es necesario comprender que dependiendo de una serie de @ Universidad Internacional de La Rioja (UNIR) Neurociencia Cognitiva Tema 2. Ideas clave 10