Una potente técnica de imagen asombrosamente simple

En el efervescente campo de la neurociencia está usándose con éxito una técnica que permite obtener imágenes funcionales de la corteza cerebral con una resolución muy superior a los métodos más habituales usados hasta ahora. Lo sorprendente del asunto es la simplicidad conceptual del método. En este artículo veremos en qué consiste.

El científico James Schummers del MIT ajustando una cámara para tomar muestras en un experimento de OIS

Diferentes maneras de ver

En la práctica clínica las técnicas más comunes para generar una imagen de la actividad del sistema nervioso son la resonancia magnética funcional (fMRI por sus siglas en inglés) y la tomografía por emisión de positrones (PET). Aunque resultan muy caras, se usan de manera habitual en los hospitales y en muchos laboratorios de investigación, ya que son una buena manera de hacerse una idea de la actividad encefálica global sin necesidad de aplicar cirugía.

Estas máquinas pueden “ver” a través del cráneo y mostrar qué regiones se activan más ante un estímulo o una tarea determinada. Pero sirven solamente para eso, para “hacerse una idea”, ya que la resolución –tanto espacial como temporal– es muy pobre.

Estas técnicas son las responsables de esas imágenes, que seguro que has visto más de una vez, en donde se aprecia el interior de un encéfalo humano con algunas de sus regiones marcadas con diferentes colores que indican el grado de activación detectado. En la fMRI el tamaño representado por cada píxel difícilmente baja de 1 mm, por lo que no es posible conocer con precisión la estructura funcional subyacente. Es necesario afinar, pero ello no significa complicar la técnica, ni mucho menos…

Simplemente mirar

En la neurociencia experimental actual existen varios métodos para generar imágenes in vivode la función nerviosa, y de todos ellos elque tiene mayor resolución es uno llamado“generación óptica de imágenes mediante señales intrínsecas”, o también OIS (opticalimaging of intrinsicsignals).

Poca gente no especializada conoce la OIS, ya que apenas se ha aplicado en medicina clínica; sin embargo es cada vez más usada por los neurocientíficos en sus investigaciones, ya que ofrece imágenes de gran resolución de la estructura funcional del sistema nervioso. Merece la pena comprender en qué consiste, ya que su método de funcionamiento es asombroso: consiste simplemente en mirar, encender la luz y mirar. Eso sí, hay que encender una luz muy estable –cuya intensidad apenas fluctúe–y mirar con una buena cámara, pero poco más.

La clave de todo está en las propiedades ópticas del tejido nervioso: resulta que estas cambian dependiendo de la actividad de sus neuronas, de tal manera que si iluminamos la superficie de la corteza cerebral, habrá unas zonas que absorban más luz que otras, algo que no podemos ver a simple vista, pero que sí puede captarse con una buena cámara y algo de paciencia. Los requisitos técnicos son relativamente sencillos –sobre todo comparados con el PET o fMRI–, hasta el punto de que algunos neurocientíficos han construido su propia unidad de OIS.

Las ventajas de esta técnica son la gran resolución espacial que aportain vivo –la mejor de todas– y su bajo coste. Pero también tiene inconvenientes, claro. El principal problema, que explica su poco uso en seres humanos, consiste en que para realizar la imagen es necesario apartar un trozo de hueso del cráneo, ya que el método tiene su base precisamente en ver –acceder ópticamente– de manera directa la superficie de la corteza cerebral.

Neuronas, luz y… ¡función!

La técnica OIS funciona por la misma razón que otras como fMRI y PET: el tejido nervioso experimenta de manera local varios cambios relacionados con la actividad de las neuronas, principalmente variaciones en los niveles de hemoglobina y deoxihemoglobina, cambios en el flujo sanguíneo y cambios en las propiedades de dispersión de la luz. Para medirlos se han desarrollado técnicas bastante caras y complejas que funcionan relativamente bien, pero a pocos se nos habría ocurrido que estos efectos de la actividad nerviosa también se podrían observar simplemente… eso, observando de manera “óptica”, sin necesidad de recurrir a malabarismos magnéticos o marcadores radiactivos.

El montaje experimental de la OIS es relativamente simple: la zona a estudiar se ilumina con una luz rojiza –porque puede penetrar mejor en el tejido- y durante un tiempo se toman imágenes con una cámara digital de alta velocidad y resolución, y… ¡nada más! La imagen se forma a partir del promedio de muchas imágenes.

Pero… ¿cómo es posible obtener una imagen que muestre la función cerebral sacando simplemente fotos con una cámara digital? El truco consiste en enfocar unas micras por debajo de la superficie cerebral y en usar una fuente de luz extremadamente estable, de manera que los únicos cambios medidos sean los debidos a las variacionesproducidas en el interior del tejido.

Si cualquiera de nosotros se pone a mirar la superficie de la corteza cerebral durante un rato, aparte de que no podemos enfocar de manera controlada unas micras por debajo de la superficie, tampoco apreciaríamos cambio alguno. Sin embargo, una cámara digital apropiada puede diferenciar minúsculas variaciones en la luz que es reflejada por el tejido debido a los cambios metabólicos y estructurales que antes comenté. Estos cambios se producen de manera local y son de suficiente magnitud como para modificar la luz absorbida/reflejada, algo que no es detectado por nuestra retina, pero que puede revelarse a partir de una serie de imágenes tomadas con una cámara bien enfocada bajo una fuente de luz estable. La resolución que se obtiene es unas 50 veces superior a la de lafMRI.

Un mapa de la corteza visual revelado por OIS

Veamos un ejemplo práctico de la potencia de esta técnica con unas imágenes obtenidas en la corteza visual. En la figura de abajo puedes observar cómo se ve la corteza cerebral a través de una pequeña ventanaabierta en el cráneo (la zona ampliada es bastante pequeña: mide aproximadamente 5 x 10 mm).

Las neuronas de esta zona de la corteza visual se encargan de detectar, entre otras cosas, la orientación de los objetos –es decir, la orientación de los bordes de las cosas. Para estudiarlas se hacen experimentos en donde se presentan estímulos visuales que consisten simplemente en barras con orientaciones variadas: horizontales, verticales, con 45o, etc.

Lo interesante es que cada neurona está especializada en una orientación específica y además las neuronas que se activan con una orientación determinada están agrupadas formando pequeñas familias. Esta distribución de las neuronas según su selectividad a la orientación se ha podido estudiar con gran detalle gracias a la OIS.

En la figura de abajo puedes observar una imagen de la misma región cortical mostrada antes, esta vez obtenida con la técnica OIS al utilizar un estímulo visual consistente en barras horizontales. Las regiones oscuras indican en dónde se encuentran las neuronas que se han activado –es decir, en dónde hay neuronas que detectan de manera específica bordes horizontales. Se observa fácilmente que estas células se distribuyen por la corteza cerebral formando grupos.

Si se varía ligeramente el estímulo visual y en vez de mostrar barras horizontales se muestran barras con otra inclinación (como indica la barra negra en la zona superior de las figuras), los grupos de neuronas que se activan son otros, dibujando un parcheado distinto al de la imagen anterior.

Cada uno de esos “parches” o familias de neuronas con una función similar tiene un diámetro de alrededor de 500 micras, pero la técnica de OIS puede resolver tamaños todavía menores, de hasta unas 10-20 micras (como, por ejemplo, los puntos negros más pequeños que aparecen en la imagen), lo cual es una resolución más que aceptable para estudiar la arquitectura funcional de las redes neuronales.

Si se toman más imágenes similares, utilizando estímulos con distintas orientaciones, puede construirse una imagen global como la de abajo: es lo que se llama un mapa de selectividad a la orientación. Los distintos colores representan distintas familias de neuronas según la orientación del estímulo con que se activan.

La información puede ser bella y en este caso la distribución funcional de las neuronas da lugar a un hermoso mapa funcional. Todo ello conseguido con una técnica, la OIS, asombrosamente simple.

Para conocer más detalles sobre la OIS, puedes buscar “opticalimaging” en la red, o echarle un vistazo, por ejemplo, a este artículo (pdf): http://bionic.gsbme.unsw.edu.au/docs/ebs1588.pdf

Licenciado en CC. Biológicas por la Univ. de Santiago de Compostela, realizó trabajos de investigacion en entomología, pero al final se doctoró especializándose en neurofisiología. Después de una estancia postdoctoral en el MIT, en la actualidad es profesor de la Univ. da Coruña. Además de su labor docente e investigadora, tiene abiertos varios frentes en el mundo de la divulgación que, en cierta manera, sacian su curiosidad e interés en campos como la geología, astronomía o la historia y filosofía de la ciencia. En cuanto puede escapa a las aceras y perpetra “cafés-teatro-científicos”, “discurshows” y otras actividades sospechosas.



Por Xurxo Mariño
Publicado el ⌚ 12 enero, 2012
Categoría(s): ✓ Neurociencia