080103161531-largeHasta el desarrollo de la los electroencefalogramas y la neuroimagen, los médicos y científicos solo podían intentar imaginar —sin ninguna información fiable— cómo era el estado estructural y funcional del cerebro vivo. Richard Caton (1842-1926) publicó en el British Medical Journal en 1875 que se podían medir cambios eléctricos en los hemisferios cerebrales de conejos y monos. Quince años más tarde, en 1890, el fisiólogo polaco Adolf Beck registró actividad eléctrica espontánea en el cerebro de conejos y perros, incluyendo oscilaciones rítmicas que cambiaban tras la exposición del animal a una fuente de luz. En 1912 un fisiólogo ruso, Vladimir Vladimirovich Pravdich-Neminsky publicó el primer electroencefalograma (EEG) en un perro, anotando la presencia de potenciales evocados, una señal eléctrica que se registra tras la presentación de un estímulo. Dos años se vio que si se provocaba un ataque epiléptico en un animal, el EEG permitía su seguimiento. BergerLa técnica estaba madura para su uso en humanos y el fisiólogo y psiquiatra Hans Berger lo hizo en 1924 en un hospital comarcal en Jena (Alemania).

La electroencefalografía mide las ondas eléctricas registrables en la superficie craneal, que muestran cambios característicos en función de la actividad neuronal de la corteza cerebral. Por poner un ejemplo, permitió saber que durante el sueño hay distintas fases que se diferencian por los registros eléctricos. El aparato utiliza de 19 a 128 electrodos situados sobre el cráneo y construye una imagen de la actividad cerebral registrando picos eléctricos en relación con estímulos determinados como oír o leer una palabra o tocar una parte del cuerpo. La electroencefalografía es una de las técnicas más baratas para registrar actividad cerebral, es fácilmente transportable, tiene una buena resolución temporal del orden de milisegundos -el rango de muchas respuestas cerebrales-, el sujeto se pude mover y no genera sentimientos de claustrofobia, es silenciosa y no implica exposición a altos campos magnéticos ni a radiaciones. Las desventajas incluyen que tiene mala resolución espacial, que no puede asociarse a un neurotransmisor determinado, que no da apenas información de lo que sucede por debajo de la corteza cerebral y que la proporción señal/ruido es pobre por lo que hacen falta muchas medidas o muchos sujetos para tener unos datos medianamente fiables. EEG_capRecientemente se ha desarrollado una aplicación para teléfono móvil que se conecta a un gorro con electrodos y permite realizar un EEG en zonas donde no hay cobertura sanitaria, ayudando por ejemplo a identificar a las personas afectadas de epilepsia en países en desarrollo y poniéndoles un tratamiento. También se ha visto que los registros cerebrales de una persona son una prueba biométrica. Es decir, que son característicos de una persona determinada y diferentes de los de todas las demás. Algunas empresas están explorando su posible uso para temas de seguridad, para poder identificar con certeza a una persona y dejarle o no acceder a lugares o información restringida.

La magnetoencefalografía (MEG) es parecida al EEG pero en vez de medir los campos eléctricos alrededor de las neuronas, registra los pequeños pulsos magnéticos de la actividad neuronal utilizando unos 100 detectores. Las señales son débiles y hay interferencias pero es rápido y consigue una resolución temporal muy buena, también con medidas en milisegundos. El aparato es mucho más complejo que el EEG y los detectores, por ejemplo, tienen que enfriarse con helio líquido y estar un una habitación blindada a los campos magnéticos, una instalación que cuesta varios millones de euros. Tampoco da información estructural, sobre la organización anatómica del cerebro vivo.

La primera imagen del interior de un cuerpo vivo se realizó en 1895 cuando Wilhelm Röntgen fotografió utilizando rayos X la mano de su esposa. V0029523 X-ray of the bones of a hand with a ring on one fingerCuando Wilhelm le mostró la foto donde aparecen nítidamente los huesos de la mano y el anillo que llevaba puesto,  ella comentó asustada «he visto mi muerte» aunque la historia tuvo final feliz pues Röntgen recibió el primer premio Nobel de Física por su descubrimiento. Al pasar por el cuerpo una parte de los rayos X son absorbidos, en mayor o menor medida dependiendo de la composición y densidad de cada zona, mientras que la radiación restante es recogida al otro lado del cuerpo por un detector, que puede ser una película fotográfica o, más modernamente, un sistema digital.

A las pocas semanas del descubrimiento de Röntgen, las radiografías se empezaron a utilizar para el diagnóstico médico de fracturas y malformaciones óseas. Los rayos X son ideales para el estudio de las estructuras calcificadas del cuerpo como dientes y huesos y también permiten localizar regiones formadas por acúmulos de células que sean más o menos densos que el tejido que los rodea, lo que puede ser un signo de un crecimiento tumoral. Sin embargo, los rayos X tienen serias limitaciones porque apenas proporcionan información de tejidos más blandos como puede ser el propio cerebro, las partes muy densas como el cráneo pueden enmascarar el contenido del interior y reducen un órgano tridimensional a una imagen bidimensional con lo cual las distintas partes se superponen unas sobre otras con lo que los contornos son muy difusos.

La definición del interior del cráneo se intentó mejorar utilizando contrastes, sustancias que tienen una opacidad o total transparencia a los rayos X y permiten diferenciar las estructuras circundantes. Walther Dandy, un neurocirujano estadounidense, lo hizo a comienzos de la década de 1920 inyectando aire en los ventrículos cerebrales lo que permitía distinguir con claridad sus límites y ver si estaban siendo deformados por una lesión o un tumor. El portugués Antonio Egas Moniz, famoso por su uso de las lobotomías lo que también le valió el Nobel, fue el primero en desarrollar los angiogramas cerebrales, metiendo un contraste opaco por vía intravenosa lo que permitía observar la vascularización del encéfalo y lograr por tanto una aproximación a la estructura cerebral pero seguía teniendo el problema del “aplastamiento” de la estructura al pasar de 3 a 2 dimensiones.

La solución para resolver la pérdida de la tridimensionalidad se planteó ya en los años 1920 pero no se pudo poner en práctica hasta el final de los 1960 cuando el comienzo de los aparatos electrónicos e informáticos permitió procesar grandes cantidades de datos. El nuevo aparato se denominó tomografía axial computarizada (TAC) y consistía en una fuente de rayos X que rotaba alrededor del eje del cuerpo y la emisión se recogía en un detector que estaba localizado en el lado opuesto. 740_CTEl escáner—una palabra que significa aparato que hace un barrido— recogía los datos de la radiación residual y construía una imagen en tres dimensiones, sobre la cual se puede hacer hacer un corte virtual («tomografía» significa imagen de una sección) mostrando con mucha mayor nitidez la composición original de esa zona del cuerpo. También se podía operar con los datos y, por ejemplo, eliminar las zonas superficiales, revelando los tejidos subyacentes o aumentar artificialmente el contraste de la imagen. El TAC es especialmente útil para distinguir algunos problemas neurológicos como los infartos cerebrales, las hemorragias, los tumores, los traumatismos, los abscesos, los quistes, las encefalitis, la acumulación de líquidos, las calcificaciones o la presencia de tejido muerto.

El primer escáner TAC lo hizo EMI. Parece que esta empresa había ganado tanto dinero con los discos de los Beatles —habían vendido 200 millones de singles— que decidió invertir un dinero en un tomógrafo de rayos X (de hecho, todo el mundo le conoció como el escáner EMI). La empresa había calculado que había mercado para unos 25 escáneres pero al final se han vendido decenas de miles, algo parecido a lo que según una leyenda urbana dijo el presidente de IBM en 1943, Thomas Watson, donde supuestamente calculó que «el mercado mundial de ordenadores podría ser de unas cinco unidades», aunque hay que recordar que alquilar uno de aquellos ordenadores gigantescos costaba más de diez mil dólares al mes. El escáner era una máquina enorme, lenta y cara pero abrió una ventana al interior del cuerpo. El premio Nobel de Medicina y Fisiología de 1979 se otorgó conjuntamente a Allan M. Cormack y Goldfrey N. Hounsfield «por el desarrollo de la tomografía asistida por ordenador». Curiosamente para ser el Nobel «de los médicos», uno era matemático y el otro físico.  En el discurso de presentación del premio Nobel el profesor sueco Torgny Greitz del instituto Carolino dijo «las radiografías de la cabeza mostraban solo los huesos del cráneo, pero el cerebro permanecía como un área gris, cubierto por la neblina. Súbitamente la neblina se ha disipado».

Otro nuevo desarrollo fue la imagen por Resonancia magnética o RM. El desarrollo en este caso vino de la Química que llevaba años usando la espectroscopía de resonancia magnética para identificar los compuestos químicos presentes en una solución acuosa. La IRM buscaba identificar en vez de qué había en un tubo de ensayo, qué había en el interior del cuerpo humano. La nueva tecnología proporcionaba una información mejor que el TAC cuando se buscaba la causa de un dolor persistente de cabeza y además no exponía al paciente a los riesgos de una radiación ionizante.  Al contrario que el TAC, la RM expone al cuerpo a un fuerte campo magnético creado por una gigantesca bobina, rodeada de pequeños electroimanes que proporcionan campos más débiles y variables, al mismo tiempo que el escáner emite pulsos de ondas de radio. 152936-004-66CD28ABLa IRM se ha centrado especialmente en los átomos de hidrógeno tanto por su sencillez como por su abundancia en el cuerpo, en el agua pero también en muchas otras moléculas como las grasas. Cada átomo de hidrógeno tiene un núcleo formado por un único protón que tiene un espín, un giro que forma un pequeño campo magnético. Como los protones están orientados al azar los distintos campos se anulan y no se produce un efecto magnético nítido. El campo magnético alinea los espines de los protones y los pulsos de ondas de radio hacen que  los átomos de hidrógeno resuenen. Cuando el pulso de radio cesa, los átomos producen unas señales de apagado que el escáner detecta. La RM convencional proporciona una foto fija del cuerpo en un momento determinado, el siguiente paso fue pasar de la fotografía al la cinematografía es decir registrar en tiempo real los cambios que sucedían en una región determinada. Si una región cerebral se activaba, llegaba más flujo sanguíneo y la resonancia magnética lo detecta. Es lo que se ha llamado la resonancia magnética funcional o RMf. Esta técnica permite seguir paso a paso la activación de distintas zonas cerebrales. Los aparatos disponibles ya consiguen cuatro imágenes por segundo y  permite mostrar actividad en respuesta a distintos tipos de experimentos o tareas.

Otros tipos de tomografías computarizadas son la tomografía de emisión de positrones (PET) y la tomografía computarizada de emisión de fotones simples (SPECT). PET-image-redComo fue anterior a la RMf, el PET fue la primera tecnología que permitía estudiar no ya la estructura cerebral sino su función, los límites de las zonas son poco nítidos pero se ve el nivel de activación de cada región. En esta técnica se inyecta en el torrente sanguíneo un isótopo radiactivo o trazador. Se deja un tiempo para que el trazador se acumule en las zonas que interesan y cuando el isótopo decae, emite un positrón que se aniquila con un electrón del cuerpo del paciente, emitiendo una radiación gamma que es lo que detecta la máquina. Los trazadores químicos usados en el PET son normalmente bioactivos, es decir participan en la actividad biológica.  Uno de los más utilizados ha sido la fluorodesoxiglucosa (FDG), que tiene una estructura muy parecida a la glucosa y por lo tanto es absorbida rápidamente por las células muy activas, entre las que están las neuronas activadas en el cerebro o las células que se dividen con rapidez en un tumor. La FDG se utiliza en el diagnóstico temprano del Alzheimer porque las neuronas afectadas por este trastorno neurodegenerativo usan menos FDG que las mismas células en condiciones de normalidad. También se han usado compuestos que se unen a las placas de betaamiloide y los ovillos neurofibrilares formados por la proteína tau. Son la señales típicas de la enfermedad de Alzheimer y permiten localizar a las personas que van a desarrollar la enfermedad antes de que haya siglos clínicos y poder probar si alguna medicación es capaz de retrasar el proceso.

El PET se ha usado también con radioligandos que se unen a neurorreceptores para dopamina, serotonina u opiodes, entre otros, comparando los resultados entre personas sanas y afectadas por problemas psiquiátricos como esquizofrenia, uslide-10sustancias de abuso y otros problemas. También se usa como guía para el abordaje quirúrgico de problemas operables como tumores intracraneales o aneurismas. El PET muestra lo mismo que la IRMf, qué zonas se activan en el cerebro y nos da imágenes bastante claras aunque la resolución es peor que la de IRMf. Por otro lado, requiere la inyección de una sustancia radioactiva  de vida media muy corta -por lo que es cara y difícil de producir- y aunque la dosis sea baja, no está permitido realizarle a nadie más de 12 escáneres al año ni se puede utilizar en niños.

La RMf ha ido sustituyendo con rapidez al PET porque no es invasiva, no causa dolor y no usa materiales radioactivos. Cuando una región cerebral se activa necesita más oxígeno y más nutrientes por lo que recibe más riego sanguíneo. carnegie mellonLa hemoglobina contiene hierro que es magnético. La RMf usa un enorme imán que permite comparar la cantidad de hemoglobina oxigenada que entra en las neuronas frente a la hemoglobina deoxigenada que las abandona. La resolución es en torno a un centímetro. No vale, sin embargo, para todo: la IRMf requiere que el paciente responda a algunas preguntas para establecer los niveles basales: por eso para estudiar si hay actividad cerebral en un paciente en un estado vegetativo se puede usar el PET pero no la RMf. Una técnica parecida es la espectroscopía de resonancia magnética funcional. Usa el mismo equipo que la IRMf pero utiliza distinto software para registrar los distintos niveles de varias sustancias químicas en el cerebro ante una tarea determinada. Por ejemplo, se ha estudiado el lenguaje en el cerebro mapeando los cambios en la concentración de lactato.

Un TAC o una RM pueden identificar un tumor porque muestran la anatomía del paciente con suficiente detalle. Sin embargo un PET puede identificar si el tumor es benigno o canceroso midiendo si toma el radioligando. En general se quiere saber ambas cosas, un detalle claro de la anatomía y la función metabólica, por eso la mayoría de los aparatos de última generación combinan ambas metodologías, tomando imágenes con ambos aparatos (PET y TAC) secuencialmente durante el mismo procedimiento.

Otra forma de estudiar el interior del cerebro es el uso de ultrasonidos. normal-sag-midlineTiene la ventaja de ser inocua para el organismo y el ejemplo más típico son los ecógrafos. Utiliza pulsos de ondas sónicas que se lanzan al cuerpo. En cualquier punto donde haya un límite entre dos tejidos distintos, parte de la energía del pulso cambia su dirección y se detecta por un transductor que genera una imagen en la pantalla. Todos lo hemos vistos para determinar el desarrollo fetal durante el embarazo, un caso claro en el que no se puede usar rayos X por su potencial mutágeno. Los escáneres de ultrasonidos hacían imágenes estáticas pero los actuales hacen varios barridos en secuencia lo que permite observar los movimientos.

El profesor Torgny Greitz del Instituto Karolinska que he mencionado antes dijo que «a veces el arte alumbra la realidad, en su poema épico sobre la nave espacial Aniara, el premio nobel en Literatura Harry Martinson habla de cómo, un día, veríamos a través de todo como si fuera cristal». Eso es lo que se ha logrado con el cerebro con las técnicas de neuroimagen.

 

Para leer más:

  • Maizlin ZV, Vos PM (2012). Do we really need to thank the Beatles for the financing of the development of the computed tomography scanner? Journal of Computer Assisted Tomography 36(2): 161–164.
  • Nahab,FB, Hattori N (2013) Neuroimaging of Movement Disorders. Springer, Nueva York.
  • Sousa DA (2006) How the brain learns. 3ª ed. Corwin Press, Thousand Oaks (California, EEUU).