Mapas Cerebrales 3D gracias a la Tractografía | Neuroimagen

Tractography_animated_lateral_view

Tractografía Lateral (“File: Tractography animated lateral view.gif – Wikimedia Commons”, 2015).

En el siguiente monográfico se abordará la técnica Tractográfica como método de diagnóstico e investigación en neurociencia. Esta técnica representa una de las más novedosas formas de mapear el cerebro obteniendo imágenes en 3D de alta resoluación.

1.  Marco Teórico

A continuación se describirán los aspectos más relevantes sobre el tema que nos concierte, la tractografía. Para ello, primero habrá que diferenciar sus dos facetas que la hacen posible. En primer lugar, la imagen por resonancia magnética o IRM y por otro, el Análisis de imágenes mediante tensores de difusión. La exposición de ambas partes es necesaria para entender la Tractografía como resultado. A continuación se explican los conceptos más importantes para entender la qué es y cómo funciona la Tractografía.

1.1.         Definición conceptual

1.1.1.      Técnicas de Neuroimagen:

Este tipo de técnicas pertenecen a lo que se conoce como Imágenes médicas. En ellas se encuentran todas las técnicas que se utilizan para obtener información del cuerpo humano y animal a través de imágenes. Existen algunas técnicas como la electroencefalografía (EEG) y la magnetoencefalografía (MEG), que si bien no producen imágenes como tal, si aportan “mapas” sobre el funcionamiento del cuerpo, por lo que están consideradas igualmente como técnicas de imagen médica. Los especialistas que trabajan en esta área son los radiólogos.

Pues bien, dentro de todas estas técnicas, existe un grupo, con el que vamos a trabajar en este documento, llamado técnicas de neuroimagen, centradas en el estudio del sistema nervioso.

Podemos distinguir las técnicas de neuroimagen en dos grandes grupos, las técnicas de neuroimagen funcionales y las estructurales. Mientras que las funcionales permiten conocer con mayor precisión cómo funciona, por ejemplo, el cerebro, las estructurales dan información sobre la anatomía e imágenes con mayor resolución. Es decir, las técnicas funcionales estudian los procesos ocurridos durante un periodo de tiempo, mientras que las estructurales se centran en capturar una “fotografía” de alta calidad en un momento concreto del tiempo. Dependiendo de la patología o la investigación que se realice, nos convendrá usar una u otra.

1.1.2.      Resonancia magnética nuclear (RMN):

Para entender cómo se obtienen las imágenes por resonancia magnética nuclear, debemos conocer el conjunto de fenómenos físicos que la permiten. En primer lugar, hay que tener en cuenta que todos los núcleos atómicos resuenan a una determinada frecuencia, la cual, es a su vez, directamente proporcional a la fuerza del campo magnético que generan. Pues bien, la RMN permite estudiar los núcleos atómicos cuando estos se alinean con un campo magnético de manera constante, justo antes, de generar una perturbación mediante un campo magnético alterno ortogonal (es decir, el eje de este nuevo campo estaría en perpendicular con de los núcleos atómicos). Esta perturbación es la que estudiaría la IRM, ya que, dependiendo de las características de la materia estudiada, la perturbación o RMN será una u otra.

1.1.3.      Imagen por Resonancia Magnética (IRM):

Siemens

Imagen 1. Ejemplo de máquina de resonancia magnética Siemens (“Medirekt”, 2016).

Existen varias formas de referirse a ella, por ejemplo, tomografía por resonancia magnética (TRM) o imagen por resonancia magnética nuclear (NMRI). Debemos tener en cuenta, que la IRM, si bien se aplica principalmente como técnica para la investigación y diagnóstico en medicina, su uso se extiende a otras áreas como la industrial, ya que permite conocer tanto la composición de la materia orgánica como de la inorgánica.

La Imagen por Resonancia Magnética se sirve de los fenómenos de la resonancia magnética nuclear (descritos en el punto anterior) para configurar imágenes que describan en un momento dado, cómo está compuesta la materia, es decir, su estructura. Por lo que, como resulta evidente, se clasifica como técnica estructural.

Concretamente, la IRM cuenta con ventajas frente a otras técnicas estructurales como la Tomografía Axial Computerizada o TAC. Entre ellas, evita el uso de rayos X (con las repercusiones negativas para la salud que estos tienen en especial para el cerebro) y ofrece una mayor definición de imagen.

1.1.4.      Imagen por Tensor de difusión (DTI):

Esquema

Es una técnica de imagen médica basada en la IRM. En este tipo de IRM, lo que se mide es el movimiento de las moléculas de agua que tiene un tejido, de tal manera, que se pueda crear un contraste en la imagen de las zonas de los tejidos dependiendo de las características de este movimiento. Concretamente, lo que se mediría sería el nivel de isotropía.

La isotropía en este caso, hace referencia a la libertad con la que se mueven las moléculas de agua a través de los tejidos. A más obstáculos, menor isotropía, pero, si por el contrario, las moléculas de agua se mueven libremente, la isotropía es máxima. Estos valores oscilan entre 0 (nada de isotropía, movimiento muy obstaculizado) y 1 (isotropía total, movimiento libre).

Técnicamente, dentro de los distintos métodos de llevar a cabo una IRM, existen las IRM de difusión. A su vez, existe lo que se conoce como imágenes por difusión ponderada (DWI) y dentro de estas, aplicadas al estudio del cerebro la DTI. Mientras que todas las IRM de difusión miden cómo se difunde las moléculas de (normalmente) agua, la DTI permite medir la difusión en múltiples direcciones y calcularla para cada vóxel (unidad de medida tridimensional). [Consultar el Esquema 1].

3d

Imagen 2. Tractografía de diversas vías neuronales. Resultado de una tractografía aportada por el Grupo Gamma. Red integrada de salud. (“Vías cerebrales en 3D”, 2016).

1.1.5.      Tractografía:

La tractografía, sería pues, la construcción de modelos en 3D gracias a la información obtenida mediante imágenes por tensor de difusión. Para conseguirlo y trasformar la información en modelos tridimensionales se emplea análisis computacional, el cual, estaría fuera de nuestra exposición.

En la siguiente parte, analizamos la evolución que ha debido transcurrir hasta llegar a este nivel de desarrollo.

1.2.     Recorrido Histórico

Para hacer un recorrido histórico no excesivamente largo, vamos a dividirlo en dos partes, una primera, donde se hable de la historia de la RMI de manera esquemática, con los autores y sus aportaciones más importantes, para posteriormente, en la segunda parte, tratar el desarrollo de la Resonancia Magnética de Difusión y la Imagen por Tensores de Difusión.

1.2.1.      Descubrimientos en Física y desarrollo de la RMI:

  1. 1936 – Linus Pauling junto con Charles D. Coryell descubren que la hemoglobina cambia su estado magnético dependiendo del nivel de oxigenación presente.
  2. 1937 – Isidor Isaac Rabi crea la resonancia magnética.
  3. 1945 – Los grupos de investigación dirigidos por Bloch y E. Purcell (cada uno por separado, y con 3 semanas de diferencia) demuestran el fenómeno conocido como “resonancia magnética nuclear en materia condensada”.
  4. 1949 – Erwin Hahn descubre el efecto del “eco de espín”, el cual, aparecen durante las mediciones de Resonancia Magnética Nuclear.
  5. Década de 1960 – A lo largo de esta década, Richard Ernst y Weston Anderson consiguen aumentar, aplicando conocimientos de física, la sensibilidad de la Resonancia Magnética Nuclear.
  6. 1971 – Godfrey Hounsfield construye el primer escáner de tomografía computada. Este representa la base de prácticamente todos los sistemas de obtención de imagen médica.
  7. 1972 – Paul Lauterbur combina la idea del gradiente con el escáner de tomografía computada para realizar diversas proyecciones y reconstruirlas obteniendo así la primera imagen por resonancia magnética.
  8. 1976 – Mansfield et al. publican la primera imagen de un dedo humano obtenida por resonancia magnética.
  9. 1990 – Seiji Ogawa detecta variaciones en la oxigenación de un tejido local al utilizar contraste dependiente del nivel de oxígeno en sangre.

1.2.2.      La Resonancia Magnética de Difusión y la Tractografía:

La resonancia magnética de difusión se introdujo como método para producir imágenes de tejidos en 1985, gracias en especial, a su capacidad para producir imágenes cerebrales de alta calidad. Posteriormente, la DTI supuso una mejora para la resonancia magnética ya que permite crear modelos en 3D.

Fue en 1990, cuando Michael Moseley, profesor de radiología en el Laboratorio de Ciencias Radiológicas en la Universidad de Stanford (hasta 1993), informó de que la difusión de las moléculas de agua en la materia blanca del cerebro era anisotrópica, y que la mejor forma de explicar dicha difusión es mediante tensores. Esto abrió un nuevo campo de investigación y especialmente de aplicación, ya que, si bien se han desarrollado las técnicas de neuroimagen gracias a estos descubrimientos acompañados de los avances tecnológicos, todavía no se conoce con exactitud el mecanismo subyacente de la difusión anisotrópica. De hecho, a pesar de no conocerlo, sí se supo que podría utilizarse para trazar la orientación en el espacio de las vías de la materia blanca, creando así senderos neuronales en 3D.

Finalmente, cabe mencionar que los siguientes grandes avances en el área de la Tractografía vienen encabezados por los avances en matemáticas y computación, por poner algunos ejemplos:

Desarrollo de un nuevo algoritmo de Esperanza-Maximización (EM) para la restauración de imagen basada en una penalización de la verosimilitud (Figueiredo y Nowak, 2003).

Desarrollo de las medidas basadas en vóxels obtenidas de la tractrografía practicada a lo largo del tracto corticoespinal (Ciccarelli, et al., 2006).

Y por poner un ejemplo más actual, un grupo de investigadores define una nueva manera de manejar los datos usando la tractografía, viendo que mejora los resultados al estudiar tractos especialmente retorcidos, disminuyendo al mismo tiempo el ruido de fondo (Fuster et al., 2016).

1.3.    La Tractografía

Teniendo en cuenta los conocimientos previamente expuestos, vamos a proceder ahora a centrarnos en el estado actual de la tractografía.

1.3.1.        Funcionamiento

Voxel

Imagen 3. Ejemplo del funcionamiento de la trayectoria a partir de las orientaciones por las que el agua tiene preferencia. Espacio dividido tridimensionalmente vóxel a vóxel (“Tractografía | Grupo Hospitalario Quirón”, 2016).

 

En el cerebro podemos distinguir de manera básica, dos tipos de sustancia, la blanca y la negra. Compuestas en su mayoría por los axones neuronales y somas neuronales respectivamente. En este caso, nos interesa la sustancia blanca, ya que tiene una mayor cantidad de moléculas de agua, que son las necesarias para llevar a cabo una tractografía.

El motivo de que la sustancia blanca tenga una mayor cantidad de agua se debe a las vainas de mielina presentes en los axones de las neuronas. Su función es la de aumentar la velocidad de transmisión eléctrica de la señal a lo largo del axón [ver imagen 4].

esquema 2

Imagen 4. Partes básicas de una neurona.

Dado que la proporción de agua en el cerebro es irregular, mediante la tractografía se pueden generar imágenes que reconstruyan en 2D y 3D la estructura del cerebro. En el caso de querer estudiar patologías, el proceso es el mismo; cuando aparecen alteraciones en los axones que componen el tejido, la forma en la que se difunde el agua es distinta a como debería ser.

1.3.2.        Resultados

Cerebros

Imagen 5. Imágenes 2D resultantes de la identificación de la radiación orbitofrontal de los 12 sujetos (Sherbondy et al. 2008).

Es importante hacer hincapié en que, dadas las características del proceso, la información que aporta la tractografía es en esencia, relacionada con los fascículos neuronales, es decir, las vías axonales que conectan distintas áreas del cerebro. Estos fascículos son, entre otros:

  • Cuerpo calloso
  • Vía piramidal
  • Cíngulo
  • Uncinado
  • Fascículo longitudinal inferior
  • Fascículo longitudinal superior
  • Fórnix
  • Radiaciones ópticas

Existen ya estudios concretos, metodológicamente sencillos, que se centran en la reconstrucción de cada una de estas vías mediante tractografía. Por poner un ejemplo sólido, publicado en una revista de muy alto impacto, tenemos el estudio llevado a cabo por Anthony Sherbondy, Robert Dougherty, Sandy Napel y Brian Wandell, (2008). Estos investigadores identificaron la radiación óptica usando la tractografía.

Obviamente, el objetivo no es encontrar elementos anatómicos nuevos ni patológicos, porque este haz de fibras es ya bien conocido y fácilmente identificable mediante exámenes post mortem, y los sujetos participantes eran sanos, sino que es desarrollar la capacidad de examinar la anatomía cerebral en personas vivas para contribuir al diagnóstico y estudio del cerebro a través de la tractografía. Además, estos investigadores, usando los datos obtenidos de 12 sujetos, procedieron a unificar todos los datos sacando lo que se podría considerar una radiación orbital “media” [ver imagen 5].

Algo interesante de estos estudios, y científicamente muy productivo, es la interdisciplinariedad con la que cuentan. En el ejemplo previo, el equipo está compuesto por dos psicólogos, un radiólogo y un ingeniero eléctrico, todos de la Universidad de Stanford.  

En condiciones normales, cuando se realiza una tractografía a un paciente los resultados se plasman en un informe. De las vías estudiadas se extraen diferentes parámetros que hacen referencia a la microestructura, tales como:

  • Anisotropía (FA)
  • Difusividad media (D)
  • Número de fibras (NF)
  • Longitud media (L)

Estos valores se comparan entonces con los de la población sana. Así pues, con los valores y las imágenes, se puede detectar posibles pérdidas de continuidad en las fibras, pérdida de sustancia blanca como sucede en las enfermedades neurodegenerativas, etcétera.

A continuación, comentaremos brevemente el informe [ver imagen 6] colocado a modo de ejemplo:

Informe

Imagen 6. Ejemplo de informe radiográfico obtenido a través de la Tractografía. Facilitado por el grupo Hospitalario Quirón (“Tractografía | Grupo Hospitalario Quirón”, 2016).

En la primera columna encontramos las diferentes áreas analizadas. A continuación el número de fibras de cada una. Las columnas tituladas con el nombre “REF.” hacen referencia a los valores esperables junto con el margen de error para personas sanas correspondientes al grupo de la población a la que pertenece el paciente. También encontramos la FA y el coeficiente de difusión, que como ya hemos comentado, ambos factores deben oscilar entre 0 y 1. Por último, debajo de la tabla, disponemos de las imágenes de las distintas vías estudiadas en diferentes cortes.

2.  Conclusiones

Antes de nada, querría citar el Allen Brain Atlas (Mehta, 2006). Es una base de datos totalmente gratis que cuenta con  cientos de miles de datos de información sobre el cerebro humano y del ratón. La información disponible se centra especialmente en datos sobre genética y neuroanatomía. Permite navegar libremente y acceder ver mapas en 3D de alta calidad. El proyecto se inició en el 2003 con una donación de Paul G. Allen de 100 millones de dólares.

Como se lleva diciendo desde hace tiempo, en las últimas décadas, la tecnología avanza de manera exponencial, mientras que la ciencia (separándola hipotéticamente de esta) lo hace a un ritmo menor. Los nuevos avances en computación y el desarrollo de software y hardware permiten manejar cantidades ingentes de información y hacer reconstrucciones anatómicas con precisión micrométrica.

Entonces, las siguientes incógnitas vienen relacionadas también con el manejo, pero no de la información, sino del uso de esta. Esto parece, ser un campo tabú para los científicos e investigadores, pero no por ello disminuye su importancia.

Conocer el cerebro implica descubrir nuevas formas de modificarlo e intervenirlo, que deberían ir acompañadas de nuevas reglas morales y éticas.

En cualquier caso, la tractografía es un método destacable de diagnóstico, por ser no-invasivo, en vivo y de alta resolución; por lo que, teniendo en cuenta las restricciones en lo relacionado al tipo de tejidos puede cartografiar, la tractografía es una herramienta muy potente.

No debemos olvidar lo difícil que debe ser acceder a este tipo de herramientas en países poco desarrollados. Una máquina de resonancia magnética tiene un costo de alrededor de un millón de euros (“MRI-scanner kassucces voor Philips”, 2009), dependiendo de la marca y su potencia (medida en Teslas) que suele oscilar de 1 a 3 Teslas (es decir, hasta 60.000 veces el campo electromagnético de la tierra).

Pero seguramente todo esto, durante mucho más tiempo, seguirá siendo insuficiente para conocer al completo el que es, junto al universo, una de las dos grandes cosmologías, el cerebro.

3.  Referencias Bibliográficas

Bloch, F., Hansen, W., Packard, M. (1946). Nuclear Induction. Physical Review; 69:127

Bloch, F., Hansen, W., Packard, M. (1946). The nuclear induction experiment. Physical Review;70:474-485.

Ciccarelli, O., Behrens, T., Altmann DR, Orrell RW, Howard RS, Johansen-Berg H, Miller DH, Matthews PM, Thompson AJ. (2006). Probabilistic diffusion tractography: a potential tool to assess the rate of disease progression in amyotrophic lateral sclerosis. Brain, 129, 1859-71.

Douek, Philippe; Turner, Robert; Pekar, James; Patronas, Nicholas; Le Bihan, Denis (1991). Asignación de colores RM de orientación de las fibras de mielina. Journal of Computer Assisted Tomography 15 (6): 923-929.

Ernst, R. and Anderson, W. (1966). Application of Fourier transform spectroscopy to magnetic resonance. Rev. Sci. Instrum. 37:93–102.

Figueiredo M, and Nowak R. (2003). An EM algorithm for wavelet-based image restoration. IEEE Transactions on Image Processing, vol. 12, no. 8, pp. 906-916.

File:Tractography animated lateral view.gif – Wikimedia Commons. (2015). Commons.wikimedia.org. Retrieved 17 May 2016, from https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tractography_animated_lateral_view.gif

Fuster, A., Dela Haije, T., Tristán-Vega, A., Plantinga, B., Westin, C.-F., Florack, L. (2016) Adjugate diffusion tensors for geodesic tractography in white matter. Journal of Mathematical Imaging and Vision 54(1), 1-14.

Hahn E. (1949). An accurate nuclear magnetic resonance method for measuring spin-lattice relaxation times, Physical Review, vol. 76, no. 145-146.

Hounsfield G. (1973). Computerized transverse axial scanning (tomography). 1. Description of system. The British Journal of Radiology;46(552):1016-22

Jones, A. (2009). The Allen Brain Atlas: 5 years and beyond, Nature.

Lauterbur, P. (1973). Image Formation by Induced Local Interactions: Examples Employing Nuclear Magnetic Resonance. Nature. 242 190–197

Le Bihan, D. & Breton, E. (1985). Imagerie de difusión en vivo par résonance magnétique energía nuclear. Comptes Rendus de l’Académie des Sciences. T.301, serie II: 1109-1112.

Le Bihan D., E. Breton, Lallemand D., P. Grenier, Cabanis E., Laval-Jeantet M. (1986). MR imaging of intravoxel incoherent motions: application to diffusion and perfusion in neurologic disorders. Radiology, 161,401-407.

Mansfield, P. Maudsley, A. (1977). Medical imaging by NMR. The British Journal of Radiology; 50:188–194.

Medirekt. (2016). Medirekt.com.ar. Retrieved 10 May 2016, from http://www.medirekt.com.ar/la-empresa/historia-y-mision

Mehta, A. (2006). First-Ever Brain ‘Atlas’ Completed. National Geographic News.

Moseley, M., Cohen, Y., Mintorovitch, J. (1990). Early detection of regional cerebral ischemic injury in cats: evaluation of diffusion and T2-weighted MRI and spectroscopy. Magnetic Resonance in Medicine. ;14:330–346.

MRI-scanner kassucces voor Philips. (2009). Eindhovens Dagblad (web). Retrieved 10 May 2016, from http://www.ed.nl/economie/philips/mri-scanner-kassucces-voor-philips-1.2172462.

Pauling, L., & Coryell, D. (1936). The Magnetic Properties and Structure of Hemoglobin, Oxyhemoglobin and Carbonmonoxyhemoglobin. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 22(4), 210–216.

Purcell, E., Torrey, H., Pound, V. (1946).Resonance absorption by nuclear moments in a solid. Physical Review.; 69:37-38.

Purcell, E. Research in nuclear magnetism. Nobel Lecture 1952, pp 219-231 from nobelprize.org

Rabi, I.; Millman, S.; Kusch, P.; Zacharias, J. R. (1939). The Molecular Beam Resonance Method for Measuring Nuclear Magnetic Moments. The Magnetic Moments of 3Li6, 3Li7 and 9F19. Physical Review 55: 526–535

Sherbondy, A. J., Dougherty, R. F., Napel, S., & Wandell, B. A. (2008). Identifying the human optic radiation using diffusion imaging and fiber tractography. Journal of Vision, 8(10), 12.1–1211. http://doi.org/10.1167/8.10.12

Tractografía | Grupo Hospitalario Quirón. (2016). Quiron.es. Retrieved 11 May 2016, from http://www.quiron.es/es/tractografia

Ogawa, S., Lee, T., Kay, A., Tank, D. (1990). Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 87:9868–72.

Vias cerebrales en 3D. (2016). Grupo Gamma. Retrieved 12 May 2016, from http://www.grupogamma.com/destacados/galeria-de-imagenes-3t/6-vias-cerebrales-en-3d/

Notas del Autor:

@DanielTejedor [Twitter]; DanielTejedorPardo [WordPress]; danitej_94@hotmail.com[Correo]; PsicoWisdom [Facebook]; danieltejedor9 [Pinterest]

Igualmente, si te gustaría publicar algún artículo sobre psicología en PsicoWisdom con tu propio nombre, solo tienes que escribirme. 

Anuncios

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s