04. Métodos de investigación en neurociencia cognitiva

Introducción

Uno de los grandes avances en relación al estudio de las bases cerebrales de la cognición y la conducta ha venido de la mano del desarrollo de las nuevas tecnologías de imagen de la actividad cerebral. Estas técnicas han supuesto un avance directo al ofrecer información cualitativa y cuantitativamente nueva respecto a las propiedades y el funcionamiento del cerebro; y también han potenciado indirectamente entre los investigadores la adopción de perspectivas más interdisciplinarias dada la complejidad de las metodologías de registro y análisis.

Neuroanatomía

Centra su atención en el estudio de la estructura del sistema nervioso y en particular en el establecimiento de divisiones entre las distintas partes que lo componen. La investigación neuroanatómica ha establecido uno de sus principales focos de interés en el modo en que dichas regiones cerebrales están interconectadas entre sí. La observación externa del cerebro nos proporciona una visión superficial que resulta insuficiente.

El error de la concepción frenológica, que defendía que el tamaño de determinadas regiones cerebrales podría relacionarse con el mayor desarrollo de cualidades intelectuales, podría deberse a la falta de técnicas de observación adecuadas. Así, han aparecido las técnicas de tinción celular (TTC), en combinación con los avances de la microscopía.

Los métodos de tinción de tejido nervioso como el descubierto por Golgi permitió establecer la existencia de estratificación en capas de las células que conforman la corteza cerebral. Métodos más recientes han permitido verificar la relación entre la existencia de determinados patrones citoarquitectónicos y el desempeño de diferentes funciones cognitivas. La técnica de Golgi mejorada permitió a Santiago Ramón y Cajal descubrir que las neuronas eran unidades independientes interconectadas entre sí (Teoría conexionista del cerebro).

También la investigación neuroanatómica se centra en el modo en que dichas regiones cerebrales están interconectadas entre sí, permitiendo establecer mapas de conectividad entre las regiones cerebrales. Para ello se emplean principalmente dos tipos de trazadores químicos: trazadores retrógrados que permiten localizar el soma del que procede un determinado axón, por ejemplo: Peroxidasa de Rábano; y trazadores anterógrados, que son capaces de recorrer el camino inverso –desde el soma hacia el axón-.

Técnicas de microscopía óptica y electrónica. Las muestras de tejido nervioso necesitan de una técnica de preparación, que empieza por la fijación del tejido a analizar mediante la inmersión sucesiva en alcoholes de distinta densidad (formalina) para deshidratarlo y evitar que se deteriore. Posteriormente se prepara con parafina que ayuda a conservarlo a la vez que facilita el corte en secciones micrométricas de la muestra (ello facilita su observación al trasluz), para lo cual se utiliza el micrótomo. Posteriormente se fija mediante un adhesivo a un portaobjetos de cristal.

Neurofisiología

Estimulación eléctrica cerebral

Las bases de la técnica fueron puestas por Galvani en el siglo 18. Primeras pruebas sobre la relación entre corriente eléctrica y actividad del sistema nervioso.

Primeras pruebas en animales siglo 19. Observaron que la estimulación eléctrica de determinadas regiones cerebrales con electrodos situados en la superficie de la corteza, producía movimientos característicos en las extremidades de los animales.

En humanos, las primeras aplicaciones fueron en operaciones neuroquirúrgicas a pacientes con epilepsia. Sobre todo dirigido a la exploración de las áreas próximas  a la cisura de Rolando permitiendo una correspondencia entre determinadas porciones de las cortezas pre y postalámicas y la capacidad de mover y sentir las diferentes partes del cuerpo respectivamente.

La estimulación eléctrica cortical se emplea hoy en día en neurocirugía de forma regular. Su aplicación reside en proporcionar información funcional sobre las regiones cerebrales que son candidatas a ser extirpadas debido a alteraciones anatómicas o funcionales. Sin embargo, la utilidad de esta técnica ha resultado limitada en el estudio de otras regiones cerebrales diferentes a las áreas motoras y del lenguaje, como en el estudio de otras funciones cognitivas.

Registros intracelulares o de células individuales

Consiste en insertar un microelectrodo en el cerebro del animal. La actividad registrada procede a menudo de la membrana celular de una o varias neuronas próximas. A menudo resulta en la lesión de la célula nerviosa. Principalmente se centra en el estudio de las variaciones de la tasa de disparo de dichas células con respecto a los niveles basales (1 a 100 descargas por seg.). En este sentido, el registro de la actividad de neuronas individuales trata de establecer diferencias de descarga respecto de dichos niveles basales. Ejemplo: Estudio procesos cognitivos superiores con primates en porciones de las cortezas prefrontales mostrando su importancia en la memoria operariva.

Lesiones: Anestesia y estimulación magnética transcraneal

Donald Stuss ha señalado que mientras que las técnicas de neuroimagen informan sobre la contribución o implicación de una determinada zona cerebral en un proceso cognitivo determinado, el método lesional es el único con capacidad de informar sobre la necesidad de dicha región para el desempeño de una función dada.

Los primeros estudios tenían los inconvenientes de su falta de especificidad en la cantidad de tejido a eliminar. Los métodos empleados eran:

  1. Aspiración del tejido nervioso, de forma que una máquina de succión extraía las regiones de interés.

  2. Aplicación de descargas eléctricas de alta intensidad sobre el tejido nervioso para la destrucción de porciones de dicho tejido.

Los nuevos métodos han tratado de resolver este problema y emplean:

  1. Sustancias químicas que permiten la destrucción selectiva de tipos específicos de células o de partes de las mismas. Ejemplo: Inyección MPTP genera lesiones específicas en neuronas dopaminérgicas capaces de reproducir patrones lesionales similares al Parkinson.

  2. Técnicas de inactivación cerebral transitoria: extensión del método lesional que bajo determinadas circunstancias puede emplearse en humanos. Como los antagonistas de acetilcolina que han sido empleados para producir amnesias transitorias. De entre las más importantes técnicas de inducción de inactivación cerebral o lesiones cerebrales reversibles cabe destacar:

    • La técnica de anestesia cerebral. El procedimiento consiste en la conducción de un catéter a través de la vía de la arteria femoral hasta la arteria carótida interna, donde se libera una sustancia anestésica (amital sódico). Se ha empleado para estudiar la lateralización del lenguaje anestesiando el hemisferio dominante o el estudio de los procesos de memoria verbal y espacial en epilépticos antes de la resección quirúrgica del hipocampo. 

    • La técnica de estimulación magnética transcraneal o TMS es más cómoda para los sujetos que la anterior al producir una interferencia en la actividad normal del cerebro. Se basa en que la emisión de un campo magnético de elevada potencia y de una frecuencia determinada en la proximidad de determinadas regiones cerebrales es capaz de cancelar la actividad eléctrica de los grupos neuronales en la proximidad de la región estimulada. Otra de las ventajas en comparación con la anestesia es que proporciona una alta resolución espacial sobre la localización de la región que se desea estimular y una alta resolución temporal sobre la latencia de inicio y duración del pulso de estimulación. Sin efectos secundarios salvo epilépticos.

Neuropsicología

Disociación simple y disociación doble

Son dos métodos empleados en neuropsicología para el estudio de la relación entre distintos patrones de lesión cerebral y diferentes déficits cognitivos.

Disociación simple: consiste en la evaluación de dos grupos de sujeto con patrones de lesión cerebral diferentes en cada grupo durante la realización de dos tareas cognitivas distintas pero de complejidad similar (por ejemplo memoria a corto plazo y memoria a largo plazo, sujetos lesiones hipocampo y controles). Existe una disociación simple cuando los dos grupos de sujetos sólo se diferencian en la ejecución en una de las tareas. Así la región lesionada en el grupo con peor rendimiento, podría estar relacionada con los procesos necesarios para realizar dicha tarea. Críticas: Plantea problemas como el de la asimetría entre tareas. La mayor dificultad de los pacientes en una de ellas podría deberse a una asimetría en la dificultad entre estas.

Disociación doble: más complejo pero elimina este tipo de problemas. También requieren dos grupos de sujetos y dos tareas experimentales. El requisito para describir una disociación doble es que cada uno de los grupos muestre dificultades en una tarea distinta y muestren preservada la ejecución en la otra tarea (por ejemplo grupo lesión frontal sólo hace mal la tarea (A) de memoria a corto plazo y el grupo 2 lesión hipocámpica sólo hace mal la tarea (B) de memoria a largo plazo). Críticas: la lesión en una región dada, puede favorecer el malfuncionamiento de otras regiones intactas.

Estudios de grupo y estudios de caso único

Los estudios de grupo  han sido a menudo criticados como inapropiados en neuropsicología humana desde la variabilidad que tienden a mostrar los pacientes asignados a dichos grupos. En este sentido muchos señalan que no existen dos lesiones cerebrales idénticas. Para otros, el estudio de casos únicos especiales constituye una vía alternativa al anterior en el establecimiento de relaciones entre patrones lesionales y patrones conductuales. El estudio de disociaciones dobles en sujetos con déficits únicos permiten aislar las operaciones que contribuyen a la realización de una tarea. Sin embargo la metodología del caso único pierde potencia inferencial a la hora de localizar procesos cognitivos. La mejora de la resolución espacial de las técnicas de neuroimagen supone una de las vías para resolver el problema de la variabilidad entre grupos de pacientes con lesión cerebral.

Neurología

Neuroimagen estructural: TAC y Resonancia Magnética

Tomografía Axial Computerizada (TAC)

Desarrollada  para visualizar la anatomía cerebral de sujetos humanos in vivo a partir de la técnica de rayos X. Permite visualizar cortes o secciones del cerebro tanto de sujetos sanos como con patología cerebral, mejorando la resolución espacial de los rayos X normales. Esta técnica permitió a los neuropsicólogos el estudio de las relaciones entre las lesiones cerebrales de los pacientes y sus déficits cognitivos. El aspecto diferencial clave del TAC consiste en que el emisor y el receptor de rayos van rotando alrededor de la cabeza obteniendo imágenes desde distintas perspectivas. Además, el emisor genera un único haz de rayos formando un plano, pudiendo generar distintos cortes a distintas alturas. Imágenes en 2D con colores desde el blanco –hueso- hasta el negro –líquido cefalorraquídeo-. Pese a su bajo coste, sus inconvenientes son la invasividad, la baja resolución espacial y temporal respecto a técnicas más modernas como la resonancia.

Resonancia Magnética Nuclear

Junto al TAC, una de las técnicas más empleadas es la resonancia magnética nuclear (RMN) o las imágenes por resonancia magnética (IRM).

LA RM aprovecha el que los núcleos de algunas sustancias del cuerpo humano (protones) alteran su orientación espacial cuando una onda de energía electromagnética incide sobre ellos. La resonancia utiliza un potente electroimán para alinear todos los ejes de los protones en el mismo sentido y los somete a pulsos de radiofrecuencia. Al cesar los pulsos, los protones se reorientan y devuelven la señal que recibieron, la cual es captada mediante receptores electromagnéticos y procesada por un ordenador. El núcleo más estudiado es el hidrógeno, por tener una elevada presencia en la mayor parte de los tejidos que conforman el sistema nervioso y necesitar una frecuencia de resonancia que es inocua para los individuos. Permite imágenes 2D y 3D. A menudo, la presencia de anomalías anatómicas como tumores cerebrales, accidentes cerebrovasculares o traumatismos craneoencefálicos, genera variaciones en la densidad de protones de hidrógeno, y por tanto pueden ser observados por resonancia. Mejora sustancialmente la resolución espacial y temporal del TAC.

Neurocirugía funcional

Estudios de los déficit cognitivos a través de lesiones cerebrales bien delimitadas en sujetos humanos como es en pacientes callosotomizados o con “cerebro dividido”, con el fin de evitar la propagación de una epilepsia parcial fármaco-resistente, que ha permitido estudiar la especialización hemisférica de las funciones cognitivas.

También con pacientes lobotomizados por causas de epilepsias temporales, trastornos depresivos, esquizofrénicos y trastornos obsesivos severos, han permitido describir la implicación  de otras regiones como los lóbulos frontales y temporales.

Sin embargo, estos estudios, no permiten garantizar que el trastorno que propició la cirugía no sea responsable de los déficits postquirúrgicos, ni que determinadas áreas cerebrales no eliminadas estén desempeñando una función anómala como consecuencia de la falta de input de las áreas que han sido extirpadas.

Neuroimagen funcional

Las técnicas de imagen funcional permiten identificar in vivo los correlatos neuroanatómicos de los procesos cognitivos.

Técnicas de alta resolución temporal

La electroencefalografía y la magnetoencefalografía son las únicas técnicas de neuroimagen no invasivas que proporcionan información neurofisiológica con una precisión de milisegundos.

Electroencefalograma (EEG) y Potenciales evocado (PE)

Podemos distinguir dos tipos de actividad neuronal:

  1. Potencial de acción: asociado a la propagación de la señal a lo largo de las fibras nerviosas. Cuádruplo cuyos campos eléctrico y magnético decaen más rápidamente que los del dipolo.

  2. Potenciales postsinápticos: dipolo de corriente que dura varias decenas de milisegundos, dos tipos:

  • El potencial postsináptico es una despolarización de una neurona debido a la llegada de potenciales de acción al mecanismo sináptico (potenciales excitatorios).

  • La actividad sináptica lleva a una corriente de signo contrario, provocando la hiperpolarización de la neurona postsináptica (potenciales inhibitorios).

Electroencefalografía: El electroencefalograma del cuero cabelludo refleja las sumas de los sucesos eléctricos ocurridos por toda la cabeza en tiempo real, incluidos los potenciales de acción y potenciales postsinápticos, así como señales eléctricas provenientes de la piel, los músculos, la sangre y los ojos. Se basa en que algunas formaciones de ondas electroencefalográficas se asocian con estados particulares de la conciencia o con formas particulares de patología cerebral.

Potenciales Evocados: Derivadas del electroencefalograma, son fluctuaciones de voltaje visibles en el E.E.G., inducidas por los cambios de la actividad del cerebro que están asociados temporalmente a la ocurrencia de estímulos sensoriales, motores o sucesos cognitivos. Proporcionan una medida directa y no invasiva del curso temporal de dicha actividad cerebral, y consisten en una secuencia de fluctuaciones de voltaje positivas y negativas llamadas componentes. Dichos componentes reflejan diferentes procesos sensoriales, motores y cognitivos que se clasifican en función de su distribución en el cuero cabelludo, su respuesta a las variables experimentales, su polaridad y su latencia. Existen componentes exógenos o tempranos (responden a variables externas al sujeto) y endógenos o tardíos (afines con variables psicológicas). Una onda o componente puede ser cuantitativamente caracterizado mediante tres dimensiones: amplitud (extensión de la actividad neuronal y de cómo el componente responde funcionalmente a las variables experimentales), latencia (curso temporal de dicha activación) y distribución en el cuero cabelludo.

Magnetoencefalografía (MEG)

Con esta técnica se registran los débiles campos magnéticos originados por las corrientes eléctricas que se generan en el cerebro por la actividad neuronal. La magnetoencefalografía registra fundamentalmente los potenciales neuronales postsinápticos. Está determinada por la morfología neuronal y por su orientación con respecto a la superficie, la actividad de las células piramidales es la más fácilmente identificable, junto con las neuronas situadas en las cisuras y surcos. Una neurona no da lugar a un campo magnético que pueda ser medido, se estiman necesarias al menos 30.000 neuronas activadas simultáneamente. Los registros  magnetoencefalográficos se realizan utilizando un neuromagnetómetro compuesto por un número variable de sensores de campo magnético, posteriormente y al igual que con el PE los campos magnéticos evocados de cada ensayo se promedian juntos y se le eliminan los artefactos (movimiento de los ojos, parpadeos, músculos cara, cuellos y actividad cardiaca). A fin de determinar las áreas cerebrales donde se observan las fuentes de actividad, las coordenadas de dichas fuentes se pueden superponer sobre una imagen por resonancia magnética.

Técnicas de alta resolución espacial

Estas técnicas detectan cambios en el metabolismo o el flujo sanguíneo del cerebro mientras los sujetos realizan tareas cognitivas. Sin embargo, y en contraposición a las técnicas de electroencefalograma y magnetoencefalograma, estas técnicas no proporcionan información directa sobre eventos neuronales, sino que miden los cambios metabólicos correlacionados o producidos como consecuencia del incremento de la actividad neuronal.

PET y resonancia magnética funcional cuentan con innumerables ventajas, pero aun tienen dos importantes limitaciones: 1) Pese a que los cambios en actividad cerebral muestren correlación con las manipulaciones experimentales, no podemos asumir causalidad entre dicha activación y las manipulaciones. 2) Baja resolución temporal.

Tomografía por Emisión de Positrones (PET)

Permite detectar el nivel de actividad metabólica de cada zona del cerebro, dado que dicho metabolismo se incrementa en las regiones con mayor actividad neuronal. La técnica aprovecha la necesidad de los tejidos de determinadas sustancias químicas como el oxígeno, el hidrógeno o la glucosa. Al marcar radiactivamente una de esas sustancias e inyectarla en sangre queda fijada en aquellas regiones con mayor demanda. Una vez fijada al tejido y transcurrido un tiempo, los átomos inestables del isótopo liberan positrones que se aniquilarán al contactar con los electrones de otros átomos circundantes, generando dos fotones, que son detectados por un tomógrafo en forma de cilindro alrededor de la cabeza, que es capaz de estimar la localización del proceso metabólico de interés. El trazador radiactivo suele ser inyectado intravenosamente (a veces también inhalado) en dos momentos: condición control y experimental. Presenta imágenes en 3-D y se utiliza para estudios sobre el flujo sanguíneo regional, transporte de sustancias a través de las membranas, mapeo de proyecciones axonales, medidas de plasticidad neuronal, o la acción de sustancias químicas. Inconvenientes: baja resolución temporal (menor que la resonancia magnética funcional) y su alto grado de invasividad.

Resonancia Magnética Funcional (RMf)

Variante de la resonancia magnética  que ofrece una buena resolución espacial y temporal. Su registro es de coste bajo y no supone riesgo alguno para la salud del paciente (ventajas respecto al PET). Un tejido que aumenta su nivel de actividad consume mayor cantidad de metabolitos (oxígeno y glucosa). Cuando una región cerebral se activa por encima de su nivel basal, aumenta la oxigenación de esa región, y con ella cambios en la señal de RM producida por la oxihemoglobina y en la concentración de desoxihemoglobina. La utilización de oxígeno por las células activadas reduce la oxihemoglobina (forma de hemoglobina que transporta oxígeno) y aumenta la desoxihemoglobina (forma sin oxígeno), esto genera un incremento local de la homogeneidad del campo magnético y un aumento en la señal de resonancia magnética funcional respecto a la fase de relajación.

La comparación del patrón de actividad durante la realización de una tarea con el de la fase de relajación, proporciona una imagen de las áreas cerebrales que presentaron mayor tasa de metabolismo de oxígeno durante la fase activa, esta modalidad de registro se llama “diseño de bloques” (frente a los ligados a eventos) ya que las fases de activación y de reposo suelen alternarse sucesivamente en intervalos de 15-30 seg. dentro de la misma sesión.  El resultado de los diseños de bloques consiste en la obtención de una imagen funcional de la actividad registrada durante las fases de activación y de una imagen empleada como línea base de los periodos de reposos. Tiene buena resolución espacial en milímetros, y aunque mejora la resolución temporal del PET, ésta no supera los 2 segundos.