La resonancia magnética podía leer el cerebro al revés
La resonancia magnética estándar puede interpretar mal la actividad cerebral
Un estudio publicado en Nature Neuroscience ha mostrado que la señal utilizada habitualmente para juzgar la actividad cerebral puede indicar un cambio en el consumo de oxígeno en sentido contrario en alrededor del 40 % de las zonas con una respuesta intensa. Se trata de la resonancia magnética funcional, o fMRI.
La fMRI convencional no registra directamente los impulsos eléctricos de las neuronas. Detecta cambios en el contenido de oxígeno de la sangre mediante la señal BOLD, siglas de blood-oxygenation-level-dependent signal. Según el esquema aceptado, una señal BOLD positiva indica un aumento de la actividad de las células nerviosas, mientras que una negativa señala una disminución.
La lógica parece convincente: las neuronas activas necesitan oxígeno, así que la sangre rica en oxígeno llega rápidamente a la zona que está trabajando. Llega más de la que las células alcanzan a utilizar, y ese exceso de oxígeno genera una señal positiva. Pero, como se ve, el cerebro no tiene por qué seguir un único guion cómodo para los libros de texto.
El equipo de Samira M. Epp, Valentin Riedl y sus colegas comprobó esta idea con 40 voluntarios sanos. Los participantes realizaron una tarea de cálculo, una prueba de memoria autobiográfica y una tarea visual sencilla dentro de un escáner de resonancia magnética. Se esperaba que los cálculos activaran las redes de atención e inhibieran la llamada red neuronal por defecto, y que los recuerdos la estimularan.
Los investigadores utilizaron fMRI cuantitativa, que evalúa a la vez la señal BOLD, el flujo sanguíneo absoluto, el volumen de sangre y la proporción de oxígeno que el tejido extrae de la sangre. Una comprobación adicional con una resolución comparable en diez participantes ayudó a descartar distorsiones relacionadas con las características del escáner.
En las zonas con una señal BOLD positiva, el modelo habitual funcionó en promedio: el flujo sanguíneo aumentó bruscamente y aportó más oxígeno del que consumían las neuronas. La señal negativa, en cambio, deparó una sorpresa, aunque parece que el cerebro llevaba tiempo insinuando que las sorpresas son lo suyo.
En algunas de esas zonas, el consumo de oxígeno no disminuyó, sino que aumentó. A escala de los vóxeles —pequeñas unidades tridimensionales de tejido—, alrededor del 40 % de las unidades con una respuesta intensa resultaron «discordantes»: el signo de la señal BOLD contradecía el cambio real en el metabolismo energético.
Una señal positiva en uno de esos vóxeles podía significar que el tejido consumía menos oxígeno que en reposo. Una negativa podía indicar que las neuronas consumían más. En otras palabras, a veces la fMRI estándar puede leer al revés la actividad de las células.
Los científicos atribuyen el fenómeno a dos mecanismos. En las zonas habituales, el cerebro aumenta bruscamente el flujo sanguíneo local y crea un exceso de oxígeno. En las zonas «discordantes», el flujo apenas cambia: las células simplemente extraen más oxígeno de la sangre disponible. Como resultado, queda más sangre desoxigenada en los capilares, lo que oscurece la imagen de resonancia magnética y genera una señal BOLD negativa, aunque las neuronas estén trabajando activamente.
En reposo, esas zonas parten de un nivel menor de extracción de oxígeno. Esto les proporciona una reserva que pueden utilizar durante el esfuerzo mental sin recibir un gran aporte de sangre nueva. Una misma zona también puede cambiar el tipo de respuesta según la tarea.
El trabajo tiene limitaciones. Medir el volumen total de sangre es técnicamente más complicado de lo deseable, y el método evalúa el volumen total, no solo la sangre venosa. Además, los cálculos del metabolismo del oxígeno están mejor validados para la materia gris superficial y se aplican con menos fiabilidad a la sustancia blanca profunda.
Los autores no proponen tirar a la basura décadas de investigación con fMRI. En promedio, la señal BOLD positiva sigue estando sólidamente relacionada con un aumento del consumo de oxígeno. Sin embargo, la ubicación exacta y la magnitud de la actividad pueden estimarse mal si solo se tiene en cuenta la señal estándar y se ignoran las diferencias regionales del flujo sanguíneo.
Los resultados son especialmente importantes para los estudios sobre el envejecimiento y las enfermedades vasculares, en los que puede cambiar la respuesta del sistema circulatorio. En esos casos, la fMRI cuantitativa, que mide no solo la señal sino también el consumo real de oxígeno, puede ofrecer una imagen más precisa de cómo distribuye la energía el cerebro.
El estudio, titulado «BOLD signal changes can oppose oxygen metabolism across the human cortex», fue realizado por Samira M. Epp, Gabriel Castrillón, Beijia Yuan, Jessica Andrews-Hanna, Christine Preibisch y Valentin Riedl.
PEREC.RU
El artículo trata de un trabajo publicado en Nature Neuroscience que cuestiona una interpretación demasiado directa de la resonancia magnética funcional estándar. La fMRI no registra directamente la actividad de las neuronas: el escáner detecta la señal BOLD, relacionada con los cambios en el contenido de oxígeno de la sangre. Por lo general, se interpreta una señal positiva como un aumento de la actividad cerebral y una negativa como una disminución.
Los investigadores Samira M. Epp, Valentin Riedl y sus colegas comprobaron hasta qué punto este modelo se ajusta al consumo real de oxígeno. En el estudio participaron 40 voluntarios sanos que realizaron tareas de cálculo, una prueba de memoria autobiográfica y una tarea visual. La fMRI cuantitativa permitió medir a la vez la señal BOLD, el flujo sanguíneo, el volumen de sangre y la velocidad a la que el tejido cerebral extraía oxígeno. Una comprobación adicional con diez participantes ayudó a descartar distorsiones relacionadas con la resolución del escáner.
En promedio, la señal BOLD positiva se correspondió con el aumento previsto del flujo sanguíneo y del metabolismo del oxígeno. Sin embargo, en las zonas con señal negativa, el consumo de oxígeno a veces no disminuía, sino que aumentaba. A escala de los vóxeles —pequeños volúmenes tridimensionales de tejido—, alrededor del 40 % de las zonas con una respuesta intensa mostraron direcciones opuestas entre la señal BOLD y el metabolismo real del oxígeno. Los autores llamaron a estas zonas discordant voxels, es decir, «vóxeles discordantes».
La diferencia se debe a dos formas de abastecer el cerebro. En las zonas habituales, la actividad va acompañada de un aumento brusco del flujo sanguíneo local, que aporta un exceso de oxígeno y genera una señal positiva. En las zonas discordantes, el flujo cambia poco, pero las células extraen más oxígeno de la sangre disponible. Aumenta la proporción de sangre desoxigenada, que influye más en la señal magnética y genera una señal BOLD negativa, aunque las neuronas puedan estar trabajando con mayor intensidad.
En reposo, estas zonas también son distintas: su extracción inicial de oxígeno es menor, así que durante el esfuerzo utilizan la reserva disponible y no necesitan un gran aporte de sangre. Una misma zona puede cambiar de mecanismo de respuesta según la tarea que realice.
Los autores subrayan que estos resultados no invalidan los estudios anteriores con fMRI. En promedio, la señal BOLD positiva sigue siendo un indicador útil de un mayor metabolismo del oxígeno, pero la fMRI estándar puede equivocarse al determinar la ubicación exacta y la magnitud de la actividad. Entre las limitaciones del método cuantitativo están la dificultad de medir el volumen total de sangre y la menor fiabilidad de los cálculos para la sustancia blanca profunda.
La conclusión es especialmente relevante para los estudios sobre el envejecimiento y las enfermedades vasculares, ya que en esos casos puede alterarse la respuesta del flujo sanguíneo. Para evaluar con mayor precisión el funcionamiento cerebral, hay que comparar la señal BOLD con medidas directas del riego sanguíneo y del consumo de oxígeno.
