Cómo medir la actividad cerebral en las personas

El cerebro es difícil de estudiar no sólo por su complejidad inherente; los miles de millones de neuronas, los cientos o miles de tipos de neuronas, los billones de conexiones. El cerebro también funciona a varias escalas diferentes, tanto en el sentido físico como en el dominio del tiempo.

Para comprender la actividad eléctrica del cerebro a estas escalas, ninguna tecnología es suficiente. Por ello, los neurocientíficos disponen de un conjunto de herramientas. Algunas de ellas, como la resonancia magnética funcional y el electroencefalograma, pueden usarse en humanos porque no son invasivas; funcionan mirando dentro del cráneo.

Pero estas herramientas adolecen de falta de detalle. Para obtener una imagen más microscópica de la actividad neuronal, los investigadores recurren a modelos animales. Esto permite analizar el comportamiento de neuronas individuales, o de pequeños grupos de neuronas, con mucho más detalle.

Resonancia magnética funcional (RMF)

La resonancia magnética funcional, o RMF, puede ser la tecnología más conocida para registrar la actividad neuronal, pero en realidad no registra la actividad de las neuronas; en su lugar, las imágenes multicolor que se ven de determinadas regiones del cerebro iluminadas reflejan el flujo sanguíneo en el cerebro. Más concretamente, la señal que se ve refleja la presencia relativa de sangre oxigenada frente a la desoxigenada; las regiones activas requieren más sangre oxigenada, por lo que, a pesar de ser indirecta, la IRMf permite a los científicos inferir patrones de actividad de las neuronas.

La IRMf se ha convertido en un elemento básico de la investigación neurocientífica moderna porque permite correlacionar la anatomía del cerebro (obtenida a partir de una resonancia magnética estructural, en lugar de funcional) y la función en los seres humanos. Pero tiene limitaciones. Tanto la resolución espacial (~1 mm3, relativa a la localización) como la temporal (~1-2 seg, relativa al tiempo) son pobres en comparación con lo que querríamos; un milímetro cúbico contiene unas 60.000 neuronas -suficientes para mantener toda la vida de una mosca de la fruta o una langosta- y las decisiones perceptivas complejas tardan sólo cientos de milisegundos, pero la fMRI no proporciona acceso a esta información.

No obstante, la IRMf permite observar de forma inigualable dónde y hasta qué punto pueden estar localizadas las diferentes funciones dentro del cerebro humano, y los investigadores siguen ideando formas de mejorar su resolución espacial y temporal, por ejemplo, haciendo que la técnica sea sensible a los cambios neuronales en lugar de a los cambios en el flujo sanguíneo. Ninguna técnica actual iguala a la IRMf en cuanto a su capacidad para «mapear» o determinar el origen probable de la función cognitiva dentro del cerebro humano.

Electroencefalografía (EEG)

La electroencefalografía, o EEG, es probablemente la segunda técnica más conocida para registrar la actividad neuronal. Mientras que la IRMf registra el flujo sanguíneo, un indicador de la activación de las neuronas, la EEG registra directamente la actividad eléctrica del cerebro mediante electrodos colocados en el cuero cabelludo del sujeto.

Sin embargo, la EEG no registra los potenciales de acción, los eventos eléctricos que las neuronas utilizan para comunicarse entre sí. En su lugar, estudia la actividad sumada de cientos de miles o millones de neuronas en forma de actividad oscilatoria. A diferencia de los potenciales de acción, no se sabe qué información contienen estas oscilaciones, pero las diferentes frecuencias de oscilación se correlacionan con diferentes estados de comportamiento.

El EEG tiene una «resolución temporal» muy superior a la de la IRMf (~1 ms frente a 1 seg). Debido a esto, el EEG puede utilizarse para seguir con mayor precisión la dinámica neuronal en seres humanos despiertos, y a menudo se utiliza para determinar la respuesta eléctrica del cerebro a un estímulo o condición.

La principal limitación del EEG es su escasa resolución espacial, mucho más pobre que la de la fMRI. Aunque se sabe que las señales del EEG sólo provienen de la corteza cerebral, sigue siendo extremadamente difícil saber con precisión en qué parte de la corteza surgen las señales.

Además, su sesgo cortical significa que no podemos utilizarlo para medir lo que ocurre en el hipocampo, donde se crean y almacenan muchos recuerdos, o en la sustancia negra o el estriado, regiones afectadas por la enfermedad de Parkinson. Así que, a diferencia de la RMNf, el mapeo de la actividad no es realmente posible con el EEG.

Electrocorticografía (ECoG)

La electrocorticografía es similar al EEG en el sentido de que mide la actividad combinada de millones de neuronas, a menudo en forma de ondas oscilatorias. Pero hay dos diferencias importantes. En primer lugar, la ECoG requiere la inserción de la guía de electrodos bajo el cuero cabelludo, por lo que requiere cirugía. Por este motivo, la ECoG sólo es adecuada para los pacientes que ya tienen programada una cirugía médica que implica la apertura del cuero cabelludo.

En segundo lugar, la ECoG permite una localización significativamente mejor de la fuente de actividad, así como el registro de la actividad eléctrica de mayor frecuencia. Ambas características ayudan durante la cirugía de la epilepsia, pero para fines de investigación pura, la técnica es demasiado invasiva para ser utilizada en seres humanos que no requieran ya una cirugía cerebral.

Resumen

Los neurocientíficos están justificadamente limitados en el tipo de enfoques que pueden utilizar para estudiar la actividad cerebral humana. Sin embargo, hasta ahora no existe ninguna tecnología que permita registrar con detalle la actividad de las neuronas a través del cráneo humano, lo que significa que las medidas que podemos tomar dan una información bastante gruesa sobre el funcionamiento de nuestros cerebros. No cabe duda de que estos límites de resolución espacial y temporal mejorarán en un futuro próximo, lo que permitirá realizar mediciones más precisas y conocer mejor la actividad del cerebro humano. Además, los enfoques complementarios que permiten la interrupción temporal del procesamiento neuronal nos ayudarán a entender qué tipos de disfunción regional del cerebro podrían conducir a los déficits cognitivos asociados con los trastornos mentales.

Laboratorios del QBI utilizando fMRI

• Profesor Jason Mattingley
• Profesor asociado Ross Cunnington
• Profesor Tianzi Jiang

Laboratorios QBI utilizando EEG

• Profesor Jason Mattingley
• Profesor Asociado Ross Cunnington