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NEUROIM AGEN

Historia de las imágenes cerebralesHoy 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

NEUROIM AGEN

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Observar directamente la estruc-

tura y el funcionamiento del

cerebro resulta una misión im-

posible, al menos hoy por hoy, a

pesar de que los investigadores

se adentran cada vez más en esa tierra incógni-

ta que alberga el cráneo. Se arman para ello de

costosas técnicas, las cuales, por otra parte, han

marcando, y lo continúan haciendo, la historia de

las neurociencias. La posibilidad de visualizar las

conexiones y los procesos neuronales depende de

los métodos que se aplican para ello. Hagamos un

repaso a una crónica compartida.

Ya en la antigüedad, los ilustrados, como Galeno

de Pérgamo (c.a. 129-199 d.C.), sospechaban que el

cerebro participaba de manera decisiva en la vida

humana [véase «Galeno de Pérgamo (ca. 130-200)»,

por J. M. López Piñero; Mente y cerebro n.o 22,

2007]. Sin embargo, fue el médico inglés Thomas

Willis (1621-1675) quien, por primera vez, en su

obra Cerebri anatome de 1664, vinculó ciertas

áreas cerebrales con diversas funciones cogni-

tivas. Willis creía que la corteza (parte externa

del cerebro con muchos pliegues) controlaba la

memoria y la fuerza de voluntad. Las reacciones

inferiores y automáticas las localizaba, en cambio,

en el cerebelo.

Las descripciones de Willis se basaban, por

un lado, en estudios anatómicos detallados de

precursores; entre ellos Leonardo da Vinci (1452-

1519) o Andrés Vesalio (1514-1564). Por otro,

aceptó la idea de un sistema nervioso mecánico,

propuesta formulada antes por el filósofo René

Descartes (1596-1650). Según indicaba este último,

el alma humana resulta de procesos acreedores

de la inspiración divina pero basados en leyes

tangibles. La creencia en el progreso de la era

moderna concebía el cerebro como un aparato

determinista.

Hubo de pasar mucho tiempo antes de atribuir

diferentes funciones a las distintas áreas de la cor-

teza. El médico y anatomista Franz Joseph Gall

(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 crá-

neo sobre el lugar correspondiente, daban pistas

acerca del talento y la personalidad de un indi-

viduo [véase «Gall y la frenología», por Albrecht

Schöne; Mente y cerebro n.o 3, 2003]. Su cámara

de los horrores contenía las formas craneales de

grandes políticos y pensadores, junto a las de en-

fermos psiquiátricos y criminales.

Sin embargo, Gall ignoraba de forma deliberada

todo lo que se oponía a su teoría; intransigencia

que probablemente le impidió efectuar mayores

descubrimientos. A pesar de que estaba equivo-

cado en muchos aspectos, su doctrina de la lo-

calización (la frenología) supuso un hito que los

científicos han aprovechado hasta nuestros días. A

finales del siglo xix existían cada vez más indicios

de que determinadas funciones cognitivas se lo-

calizaban en áreas concretas de la corteza. Gracias

a los progresos de la microscopía, pronto se logró

dividir la corteza cerebral en unidades más finitas

con ayuda de las características histológicas.

De la estructura a la función

Además de localizar funciones determinadas en

áreas concretas del cerebro, los neurocientíficos

actuales profundizan en las intricadas redes del

cerebro. El conectoma, es decir, la totalidad de las

comunicaciones neuronales, supone un enorme

reto para ellos: ¿cómo pueden representarse

gráficamente todas estas comunicaciones? ¿Qué

ocurre con las alteraciones dinámicas de la red?

Hasta la fecha, la investigación se centraba en

imágenes estáticas. Mas, la comunicación entre

las células nerviosas fluye de forma continua, cesa

por momentos y anega amplias extensiones del

paisaje psíquico al poco rato. Además, las vías de

comunicación cambian de manera constante. Las

técnicas de imagen empiezan a incorporar esta

dimensión temporal, por lo que las formas de

neuroimagen novedosas deben atender a la vez

la conectividad anatómica y funcional.

Con todo, los métodos actuales solo alcanzan la

superficie: debajo se esconde el plano de mensaje-

ros químicos y procesos moleculares, además de,

probablemente, otras dimensiones aún ocultas a

la tecnología. Veamos, en las siguientes páginas,

lo que se ha logrado hasta ahora.

Isabelle Bareither investiga en la Escuela de la Mente y el Cerebro de Berlín, en el grupo de Arno Villringer.

Para saber másPortraits of the mind. Visua­lizing the brain from anti ­ quity 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 archivoEl nuevo siglo del cerebro. Ra-fael Yuste y George M. Church en IyC, mayo de 2014.

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Dibujos de detalle exquisitoLas 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 anato-

mistas 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 regio-

nes 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 am-

bos investigadores; incluso tras la aceptación conjunta del premio Nobel de Fisiología

y Medicina de 1906. Golgi estaba convencido de que las neuronas del cerebro consti-

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 transmi-

sión 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 marca-

ba este recorrido con flechas. Creó así el prototipo de las posteriores cartografías de

redes neuronales: los conectomas.

Neuronas en vivo y en colorJeff Lichtman y Joshua Sanes, de la Universidad

Harvard, elaboraron el método de cerebroiridis-

cencia (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 genética-

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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A escala microscópicaHoy 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 ul-

trafinas 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 nerviosasUn método reciente que está haciendo furor, sobre todo en relación a la medición del conecto-

ma, 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 ana-

tomía», 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 conecti-

vidad 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 re-

presentan 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

mismo tiempo, una información valiosa (véase la figura siguiente).

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Funciones en 3DLos 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 cuer-

pos 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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¿Hasta qué punto las imágenes cerebrales muestran la realidad?

Las proyecciones en color del cerebro abundan en numerosas re-

vistas neurocientíficas y aparecen en los medios de comunicación

más populares. No obstante, cabe preguntarse si revelan cómo tra-

baja nuestra mente. ¿Podrán contemplarse pronto los pensamien-

tos humanos? En absoluto, la visualización de las redes y funciones

del cerebro parece más real de lo que en verdad es. Todas las imá-

genes aquí representadas son el resultado de complejos cálculos

y de la elección subjetiva de los investigadores entre el contenido

informativo y estético. Aunque renegar de la neuroimagen, como

alientan algunos críticos, es una postura exagerada, opina Daniel

Margulies, investigador del Instituto Max Planck: «El objetivo de

las proyecciones consiste en transmitir conocimientos; a ello puede

ayudar una apariencia atractiva. Las imágenes cerebrales pueden

resultar bonitas e informativas al mismo tiempo».

Libertad artísticaCuán 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 artis-

ta 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 con-

curso Brain Art de 2013 (www.neurobureau.org).

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Ruta hacia el conectomaAdemás de la red anatómica del cerebro, hoy en día se investiga,

cada vez más, el modo en que las conexiones cerebrales inter-

vienen en la resolución de tareas determinadas. El método de

neuroimagen principal que se utiliza para ello es la imagen por

resonancia magnética funcional (RMf). Esa técnica registra los

cambios en el contenido de oxígeno en la sangre como resultado

de la actividad de las neuronas. Para ello se mide la actividad de

miles y miles de neuronas en un punto concreto (vóxel). La fuerza

de comunicación entre los distintos vóxeles puede calcularse a

partir de la semejanza de su respectivo patrón de actividad: aque-

llos que descargan con más o menos intensidad al mismo tiempo

se hallan, probablemente, conectados entre sí.

Para representar la totalidad de las conexiones funcionales

mensurables, el equipo de Joachim Böttger, del Instituto Max

Planck para la Cognición Humana y las Ciencias del Cerebro de

Leipzig, ha elaborado un método que se utilizaba ya para visua-

lizar el tráfico aéreo y las corrientes migratorias: la técnica edge

bundling (algo así como «agrupación de bordes»). A través de

este método se reúnen las conexiones con parámetros geomé-

tricos que se asemejan (por ejemplo, la angulación o relación

longitudinal). Los diversos colores señalan distintas redes (en

la imagen, el rojo indica la vía sensitiva motora; el naranja, la

visual).

Sin embargo, las «vías» señaladas no reflejan conexiones ana-

tómicas reales, pues son producto de una inferencia estadística.

El mayor reto que afrontan los investigadores en la actualidad es

crear imágenes cerebrales estéticamente atractivas a la par que

informativas, y que no hagan creer que existe lo que no hay.

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