Desmitificando los datos de BOLD fMRI
Señal BOLD en ninguna tarea («estado de reposo») fMRIYOUTUBE, ZEUS CHIRIPALa relevancia y confiabilidad de los datos de resonancia magnética funcional dependientes del nivel de oxígeno en sangre (BOLD fMRI) han sido objeto de acalorados debates durante años , sobre todo porque aún no está claro qué aspectos de la actividad cerebral está captando la técnica. «En muchos sentidos, este parecería ser un método inaceptable para la neurociencia». dijo Ed Bullmore de la Universidad de Cambridge, en una reunión de neurocientíficos organizada por la Royal Society a fines del mes pasado. «Pero si estás interesado en los humanos, no hay muchas opciones». Bullmore y sus colegas se habían reunido en Buckinghamshire, Reino Unido, para analizar qué pueden decirnos exactamente los resultados de BOLD fMRI.
“Lo que sí sabemos, por supuesto, es lo que mide la resonancia magnética” dijo Robert Turner, director emérito del Instituto Max Planck de Ciencias Cognitivas y Cerebrales Humanas en Leipzig, Alemania. La resonancia magnética mide la magnetización de los protones de hidrógeno en las moléculas de agua…
Pero, ¿qué nos puede decir esto sobre la actividad cerebral?
Cuando se agotan las hemoglobinas, las proteínas ricas en hierro que transportan oxígeno en nuestra sangre de oxígeno, explicó Turner, se vuelven paramagnéticos, alterando el campo magnético local. Esto hace que los protones giren fuera de fase más rápidamente. Uno podría pensar que esto significa que BOLD fMRI destaca el consumo de oxígeno por parte de las neuronas activas, pero en realidad, dicha actividad rara vez se mide.
Lo que BOLD revela es lo que suele suceder a continuación: la sangre fresca se precipita hacia el área y sale desoxihemoglobina paramagnética y reemplazándola con nueva hemoglobina oxigenada. Dado que esto no interfiere con los giros de los protones, el resultado es una señal fMRI más grande. Entonces, BOLD fMRI refleja una combinación de cambios en el flujo sanguíneo y el consumo de oxígeno dentro del cerebro, no la actividad neuronal en sí misma.
Esto significa que si BOLD muestra una gran cantidad de actividad, eso no significa necesariamente que todas las neuronas en esa región están aumentando, dijo David Attwell del University College London, uno de los organizadores de las reuniones. Entonces, lo que realmente necesitamos saber es cómo las neuronas influyen en el flujo sanguíneo.
Para averiguarlo, Attwell y sus colegas están estudiando cortes post mortem de cerebro de roedores para comprender mejor las interacciones entre las neuronas, los vasos sanguíneos y las células de apoyo. como astrocitos y pericitos. Estas células envuelven la vasculatura y probablemente afectan su respuesta a la actividad neuronal local.
La investigación en animales vivos, por otro lado, ha sugerido que las células endoteliales que recubren los vasos sanguíneos del cerebro también pueden desempeñar un papel activo en coordinando tales respuestas, como se sabe que lo hacen en otras partes del cuerpo. La ola de dilatación de los vasos que da como resultado un aumento del flujo sanguíneo viaja mucho más rápido y más lejos de lo que podrían explicar los astrocitos y los pericitos solos, dijo Elizabeth Hillman, de la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York, cuyo laboratorio ha desarrollado un método óptico para observar directamente el cerebro de las ratas. Además, si desactivamos partes del endotelio, podemos ver que la onda se detiene.
Más recientemente, el laboratorio de Hillman descubrió inesperadamente lo que parece ser un vínculo convincente entre la actividad neural y vascular. Al tratar de refutar que la actividad en estado de reposo en el cerebro podría enseñarnos acerca de las conexiones neuronales, en realidad hemos podido observar una actividad neuronal aparentemente espontánea que se correlaciona con bastante fuerza con el flujo sanguíneo, dijo Hillman a The Scientist , lo cual sería es difícil de mostrar con las mediciones muy precisas de una sola neurona que prefieren muchos neurocientíficos, pero cuando se aleja y mira la imagen más grande, la sincronía es difícil de negar y créanme, nos hemos esforzado mucho para explicar estos resultados.
Si estos hallazgos no publicados resisten el escrutinio de los colegas de Hillmans, esta sería una noticia tranquilizadora para los neurocientíficos que usan BOLD fMRI para estudiar la actividad neuronal.
Pero en algunos cerebros, BOLD podría no funcionar en absoluto, advirtió Hillman. En el cerebro en desarrollo de animales jóvenes, por ejemplo, encontramos que la actividad BOLD es muy inusual, dijo. Inicialmente, la respuesta del flujo sanguíneo no parece estar en sintonía con la actividad neuronal, por lo que la resonancia magnética funcional puede ser casi ciega.
Los cerebros enfermos también pueden sesgar los resultados. La patología puede afectar la señal BOLD en ausencia de cambios en las propias neuronas, dijo Bojana Stefanovic del Instituto de Investigación Sunnybrook de Toronto. En pacientes que sufrieron un accidente cerebrovascular, por ejemplo, la cantidad de agua puede reducirse donde las células han muerto y aumentarse por edema en algunos de los tejidos circundantes. El flujo sanguíneo del cerebro también puede verse alterado por interrupciones en la vasculatura, por ejemplo, o la formación de tejido cicatricial.
La mejor manera de lidiar con esto depende de la pregunta de investigación, dijo Stefanovic a The Scientist . Existe la idea de que si podemos vincular BOLD con la actividad neuronal, eso sería el nirvana, dijo. Los médicos, sin embargo, buscan medidas con un vínculo claro con los síntomas. Y, afortunadamente, no faltan los efectos de la enfermedad que BOLD puede detectar.
El neurocientífico cognitivo Geraint Rees del University College London hizo una nota similar. Si cualquier cosa que mida BOLD se correlaciona de forma reproducible con el comportamiento que me interesa, como la atención o la conciencia, me preocupan menos los detalles fisiológicos que hay detrás, dijo. Lo que no significa, por supuesto, que no los considere interesantes; de lo contrario, no estaría aquí.
Mientras tanto, los investigadores están desarrollando métodos para medir la actividad neuronal humana de manera más directa, aprendiendo más sobre los datos de BOLD fMRI en el camino. Gracias a más de 30 pacientes de Parkinson que aceptaron jugar un juego de inversión mientras se sometían a una cirugía para colocar una sonda de estimulación cerebral profunda, pudimos medir directamente la respuesta de dopamina estriatal que solo conocíamos de roedores y humanos BOLD, dijo Read Montague de el Instituto de Investigación Virginia Tech Carilion. Sorprendentemente, descubrimos que mientras BOLD responde a la recompensa esperada y al resultado real por separado, la respuesta de dopamina los integra en una señal mejor o peor. El equipo de Montagues quisiera explorar si lo mismo es cierto para las personas sin la enfermedad de Parkinson, que se sabe que afectan a las neuronas dopaminérgicas.
Por ahora, sin embargo, los resultados de los investigadores demuestran los beneficios de aplicar otras técnicas en paralelo con BOLD fMRI. Este enfoque no solo podría revelar conocimientos que BOLD no puede, sino que también podría ayudar a los neurocientíficos a comprender mejor los resultados de experimentos anteriores con IRMf.
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