Download Mente y cerebro, n. 69 - Investigación y Ciencia

NEUROIM AGEN
Historia de las
imágenes cerebrales
Hoy en día existen numerosas técnicas de neuroimagen, pero
¿cuáles fueron los inicios de esta disciplina? Viajemos con la mirada
por el pasado y presente del estudio cerebral
ISABELLE BAREITHER
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MENTE Y CEREBRO 69 - 2014
O
bservar directamente la estruc-
de los horrores contenía las formas craneales de
tura y el funcionamiento del
grandes políticos y pensadores, junto a las de en-
cerebro resulta una misión im-
fermos psiquiátricos y criminales.
posible, al menos hoy por hoy, a
Sin embargo, Gall ignoraba de forma deliberada
pesar de que los investigadores
todo lo que se oponía a su teoría; intransigencia
se adentran cada vez más en esa tierra incógni-
que probablemente le impidió efectuar mayores
ta que alberga el cráneo. Se arman para ello de
descubrimientos. A pesar de que estaba equivo-
costosas técnicas, las cuales, por otra parte, han
cado en muchos aspectos, su doctrina de la lo-
marcando, y lo continúan haciendo, la historia de
calización (la frenología) supuso un hito que los
las neurociencias. La posibilidad de visualizar las
científicos han aprovechado hasta nuestros días. A
conexiones y los procesos neuronales depende de
finales del siglo xix existían cada vez más indicios
los métodos que se aplican para ello. Hagamos un
de que determinadas funciones cognitivas se lo-
repaso a una crónica compartida.
calizaban en áreas concretas de la corteza. Gracias
Ya en la antigüedad, los ilustrados, como Galeno
a los progresos de la microscopía, pronto se logró
de Pérgamo (c.a. 129-199 d.C.), sospechaban que el
dividir la corteza cerebral en unidades más finitas
cerebro participaba de manera decisiva en la vida
con ayuda de las características histológicas.
humana [véase «Galeno de Pérgamo (ca. 130-200)»,
por J. M. López Piñero; Mente y cerebro n.o 22,
De la estructura a la función
2007]. Sin embargo, fue el médico inglés Thomas
Además de localizar funciones determinadas en
Willis (1621-1675) quien, por primera vez, en su
áreas concretas del cerebro, los neurocientíficos
obra Cerebri anatome de 1664, vinculó ciertas
actuales profundizan en las intricadas redes del
áreas cerebrales con diversas funciones cogni-
cerebro. El conectoma, es decir, la totalidad de las
tivas. Willis creía que la corteza (parte externa
comunicaciones neuronales, supone un enorme
del cerebro con muchos pliegues) controlaba la
reto para ellos: ¿cómo pueden representarse
memoria y la fuerza de voluntad. Las reacciones
gráficamente todas estas comunicaciones? ¿Qué
inferiores y automáticas las localizaba, en cambio,
ocurre con las alteraciones dinámicas de la red?
en el cerebelo.
Hasta la fecha, la investigación se centraba en
Las descripciones de Willis se basaban, por
imágenes estáticas. Mas, la comunicación entre
un lado, en estudios anatómicos detallados de
las células nerviosas fluye de forma continua, cesa
precursores; entre ellos Leonardo da Vinci (1452-
por momentos y anega amplias extensiones del
1519) o Andrés Vesalio (1514-1564). Por otro,
paisaje psíquico al poco rato. Además, las vías de
aceptó la idea de un sistema nervioso mecánico,
comunicación cambian de manera constante. Las
propuesta formulada antes por el filósofo René
técnicas de imagen empiezan a incorporar esta
Descartes (1596-1650). Según indicaba este último,
dimensión temporal, por lo que las formas de
el alma humana resulta de procesos acreedores
neuroimagen novedosas deben atender a la vez
de la inspiración divina pero basados en leyes
la conectividad anatómica y funcional.
tangibles. La creencia en el progreso de la era
Con todo, los métodos actuales solo alcanzan la
moderna concebía el cerebro como un aparato
superficie: debajo se esconde el plano de mensaje-
determinista.
ros químicos y procesos moleculares, además de,
Hubo de pasar mucho tiempo antes de atribuir
probablemente, otras dimensiones aún ocultas a
diferentes funciones a las distintas áreas de la cor-
la tecnología. Veamos, en las siguientes páginas,
teza. El médico y anatomista Franz Joseph Gall
lo que se ha logrado hasta ahora.
(1758-1828), uno de los pioneros en este campo,
estaba convencido de que el tamaño de una región
cerebral y, en consecuencia, la curvatura del cráneo sobre el lugar correspondiente, daban pistas
acerca del talento y la personalidad de un individuo [véase «Gall y la frenología», por Albrecht
Schöne; Mente y cerebro n.o 3, 2003]. Su cámara
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Para saber más
Portraits of the mind. Visua­
lizing the brain from anti­quity to the 21st century.
C. Schoonover. Abrams, Nueva
York, 2010.
Visualizing the human
­connectome. D. S. Margulies
et al. en Neuroimage, vol. 80,
págs. 445-461, 2013.
En nuestro archivo
Isabelle Bareither investiga en la
­Escuela de la Mente y el Cerebro de
Berlín, en el grupo de Arno Villringer.
El nuevo siglo del cerebro. Rafael Yuste y George M. Church
en IyC, mayo de 2014.
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Dibujos de detalle exquisito
Las neurociencias modernas iniciaron su andadura en el momento en que los medios
técnicos incrementaron la capacidad visual. A finales del siglo xix, con ayuda de la
microscopía, se crearon herramientas cuyo uso debía aprenderse, con frecuencia, a
partir de largos años de esmerado trabajo. De este modo, científicos como los anatomistas Camilo Golgi (1844-1926) y Santiago Ramón y Cajal (1852-1934) penetraron en
la profundidad del cerebro. El primero descubrió la reacción negra, una técnica para
teñir células individuales mediante nitrato de plata [véase «Camillo Golgi y la reacción
negra», por Paolo Mazzarello; Temas de IyC n.o 29, 2002]. El segundo, perfeccionó el
hallazgo. Ramón y Cajal elaboró, asimismo, ilustraciones detalladas de distintas regiones cerebrales y células nerviosas (a la izquierda, un corte del hipocampo).
Pero una amarga lucha en torno a la interpretación de sus resultados separó a ambos investigadores; incluso tras la aceptación conjunta del premio Nobel de Fisiología
y Medicina de 1906. Golgi estaba convencido de que las neuronas del cerebro constiSANTIAGO RAMÓN CAJAL, 1911 / DOMINIO PÚBLICO
tuían una sola masa conectada. Ramón y Cajal, en cambio, consideraba las neuronas
unidades independientes que se comunicaban entre sí a través de sinapsis (término
acuñado por el neurofisiólogo Charles Scott Sherrington en 1897).
La doctrina neuronal, según la bautizó Cajal, constituye la base de la investigación
cerebral moderna. Este histólogo reconoció, por primera vez, el sentido de transmisión de la señal de las células nerviosas: desde las dendritas (pequeñas ramas de las
neuronas), pasando por el soma, hacia los largos axones. En sus dibujos, Cajal marcaba este recorrido con flechas. Creó así el prototipo de las posteriores cartografías de
redes neuronales: los conectomas.
Neuronas en vivo y en color
Jeff Lichtman y Joshua Sanes, de la Universidad
Harvard, elaboraron el método de cerebroiridiscencia (brainbow), una respuesta elegante de este
siglo xxi a las artísticas ilustaciones de Ramón y
Cajal. Bajo la luz fluorescente se visualizan, con
todos los colores del arcoíris, las neuronas de
ratones, moscas o gusanos modificados genéticaCORTESÍA DE JEAN LIVET, TAMILY WEISSMAN, JOSHUA R. SANES Y JEFF LICHTMAN, UNIVERSIDAD HARVARD
mente. De esta manera, los científicos observan
en vivo las alteraciones de las neuronas y de
sus sinapsis; incluso las graban en directo. Pero,
sobre todo, pueden distinguir detalles, caso del
núcleo celular de cada neurona. El contenido de
la imagen contigua, que se asemeja a un confeti
multicolor, no es producto de la naturaleza, sino
resultado de un largo proceso de elaboración.
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CORTESÍA DE THOMAS DEERINCK Y MARK ELLISMAN, NCMIR, UCSD
A escala microscópica
Hoy en día, las neuronas pueden representarse con una resolución cien veces mayor que
con el microscopio óptico de la época de Santiago Ramón y Cajal. Sobre estas líneas se
reproduce una neurona con pequeños pinchos en sus prolongaciones. Estas espinas le
sirven para comunicarse con otras neuronas. En la microscopía electrónica, un haz barre
la superficie de una estructura y un detector se encarga de registrar las partículas que
rebotan de la zona examinada. Para ello, el tejido debe cortarse en cientos de rodajas ultrafinas que el microscopio electrónico, una tras otra, escanea. A continuación se juntan
las imágenes de los cortes hasta disponer de una representación tridimensional. Cuanto
mayor es la resolución, más limitada resulta la visualización. Por este motivo, se sigue
utilizando el microscopio óptico si se quieren explorar grandes regiones tisulares. Para
contemplar la microestructura fina, los científicos utilizan el microscopio electrónico.
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En la maraña de fibras nerviosas
Un método reciente que está haciendo furor, sobre todo en relación a la medición del conectoma, son las imágenes por tensor de difusión (ITD). El desplazamiento de las moléculas de agua
a lo largo de las fibras nerviosas revela el proceso de comunicación neuronal [véase «Tras las
vías nerviosas de la sustancia blanca», por Rainer Goebel y Jan Zimmermann; Mente y cerebro
n.o 63, 2013]. No obstante, las imágenes que se obtienen se basan en proyecciones matemáticas
y estadísticas. En otras palabras, no reproducen las comunicaciones reales.
«Las técnicas contemporáneas muestran, a menudo, una imagen sesgada de la arquitectura
real del cerebro y revelan patrones neuronales que solo representan parte de la auténtica anatomía», explica Marco Catani, del Colegio King de Londres. Estas proyecciones cerebrales son el
resultado de muchos pasos de análisis, por lo que siempre cabe la posibilidad de elegir, en cada
uno de ellos, entre contenido estético e informativo. Por este motivo, el resultado refleja las
decisiones del propio investigador.
Según Daniel Margulies, director del grupo de investigación sobre neuroanatomía y conectividad del Instituto Max Planck para la Cognición Humana y las Ciencias del Cerebro de Leipzig,
esta tangibilidad aparente de las imágenes puede inducir a error. «La ITD clásica disipa, cual
cepillo, todas las dudas y describe vías concretas. Este hecho podría hacer olvidar cómo se representan estas imágenes y la incertidumbre de los datos inferidos», aclara. Sin embargo, no
tiene por qué ser así: las ilustraciones del conectoma podrían ser estéticas y proporcionar, al
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CORTESÍA DEL LABORATORIO DE NEUROIMAGEN Y DEL CENTRO MARTINO PARA IMAGEN BIOMÉDICA, CONSORCIO DEL PROYECTO CONECTOMA HUMANO (WWW.HUMANCONNECTOME PROJECT.ORG)
mismo tiempo, una información valiosa (véase la figura siguiente).
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JOACHIM BÖTTGER, RALPH SCHURADE, DANIEL MARGULIES, GRUPO DE INVESTIGACIÓN SOBRE NEUROANATOMÍA Y CONECTIVIDAD DEL INSTITUTO MAX PLANCK PARA LA COGNICIÓN HUMANA Y LAS CIENCIAS DEL CEREBRO DE LEIPZIG
Funciones en 3D
Los neurocientíficos no miden vías concretas, como sugiere la imagen
por tensor de difusión de la página contigua, sino puntos de datos
concretos (vóxeles). Para obtener una representación tridimensional de
las conexiones neuronales se utilizan desde hace largo tiempo cuerpos geométricos (glifos). Gracias a ellos pueden mostrarse conexiones
funcionales en el cerebro. Cada punto de esta visualización resume el
cambio sincrónico en la actividad en los vóxeles medidos: los colores se
corresponden con la orientación espacial en la que se encuentran las
neuronas activas que están coordinadas entre sí (el color rojo indica una
conexión transversal; el verde, longitudinal, y el azul, oblicua). De esta
manera, los glifos aportan información de la conectividad sin presuponer
comunicaciones de fibra concretas. Con este método, Daniel Margulies y
Joachim Böttger, del Instituto Max Planck, prevén visualizar, en un futuro,
la incertidumbre estadística de los datos inferidos.
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ETIENNE SAINT-AMANT: AUTORETRATO II; CORTESÍA DE ISABELLE BAREITHER
NEUROIM AGEN
Libertad artística
Cuán amplias son las posibilidades de juego que permiten las neuroimágenes queda patente en el proyecto
del artista y neuroinvestigador francés Etienne Saint-Amant. Su cuadro Autorretrato II surge de una adaptación
libre que el autor ha confeccionado a partir de una imagen por tensor de difusión de su propio cerebro. Por lo
general, estas imágenes muestran fibras nerviosas en color sobre fondo negro ( figura de la página 44). El artista juega aquí con los colores, pero conserva la resolución detallada de la proyección. El original autorretrato de
Saint-Amant ganó el primer premio en la categoría «representación del conectoma humano» dentro del concurso Brain Art de 2013 (www.neurobureau.org).
¿Hasta qué punto las imágenes cerebrales muestran la realidad?
Las proyecciones en color del cerebro abundan en numerosas re-
y de la elección subjetiva de los investigadores entre el contenido
vistas neurocientíficas y aparecen en los medios de comunicación
informativo y estético. Aunque renegar de la neuroimagen, como
más populares. No obstante, cabe preguntarse si revelan cómo tra-
alientan algunos críticos, es una postura exagerada, opina Daniel
baja nuestra mente. ¿Podrán contemplarse pronto los pensamien-
Margulies, investigador del Instituto Max Planck: «El objetivo de
tos humanos? En absoluto, la visualización de las redes y funciones
las proyecciones consiste en transmitir conocimientos; a ello puede
del cerebro parece más real de lo que en verdad es. Todas las imá-
ayudar una apariencia atractiva. Las imágenes cerebrales pueden
genes aquí representadas son el resultado de complejos cálculos
resultar bonitas e informativas al mismo tiempo».
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Ruta hacia el conectoma
Además de la red anatómica del cerebro, hoy en día se investiga,
Planck para la Cognición Humana y las Ciencias del Cerebro de
cada vez más, el modo en que las conexiones cerebrales inter-
Leipzig, ha elaborado un método que se utilizaba ya para visua-
vienen en la resolución de tareas determinadas. El método de
lizar el tráfico aéreo y las corrientes migratorias: la técnica edge
neuroimagen principal que se utiliza para ello es la imagen por
bundling (algo así como «agrupación de bordes»). A través de
resonancia magnética funcional (RMf). Esa técnica registra los
este método se reúnen las conexiones con parámetros geomé-
cambios en el contenido de oxígeno en la sangre como resultado
tricos que se asemejan (por ejemplo, la angulación o relación
de la actividad de las neuronas. Para ello se mide la actividad de
longitudinal). Los diversos colores señalan distintas redes (en
miles y miles de neuronas en un punto concreto (vóxel). La fuerza
la imagen, el rojo indica la vía sensitiva motora; el naranja, la
de comunicación entre los distintos vóxeles puede calcularse a
visual).
partir de la semejanza de su respectivo patrón de actividad: aque-
Sin embargo, las «vías» señaladas no reflejan conexiones ana-
llos que descargan con más o menos intensidad al mismo tiempo
tómicas reales, pues son producto de una inferencia estadística.
se hallan, probablemente, conectados entre sí.
El mayor reto que afrontan los investigadores en la actualidad es
Para representar la totalidad de las conexiones funcionales
crear imágenes cerebrales estéticamente atractivas a la par que
informativas, y que no hagan creer que existe lo que no hay.
JOACHIM BÖTTGER, RALPH SCHURADE, DANIEL MARGULIES, GRUPO DE INVESTIGACIÓN SOBRE NEUROANATOMÍA Y CONECTIVIDAD DEL INSTITUTO MAX PLANCK PARA LA COGNICIÓN HUMANA Y LAS CIENCIAS DEL CEREBRO DE LEIPZIG
mensurables, el equipo de Joachim Böttger, del Instituto Max
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