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Imágenes Distorsionadas Ayudan a Trazar un Mapa del Cerebro

Friday, April 29, 2005

Un nuevo atlas y base de datos del cerebro desarrollados por el International Consortium for Brain Mapping (Instituto Internacional de Mapeo Cerebral, o ICBM) utiliza una plantilla con etiquetas que hacen referencia a las diferentes partes anatómicas del cerebro para ayudar a determinar la variabilidad entre los grupos de cerebros. Todas las imágenes son comparadas con este cerebro objetivo de modo tal que éstas puedan recoger ubicaciones anatómicas individuales y ser correctamente etiquetadas. Cortesía de la imagen de John C. Mazziotta y el ICBM.

Un nuevo atlas y base de datos del cerebro desarrollados por el International Consortium for Brain Mapping (Instituto Internacional de Mapeo Cerebral, o ICBM) utiliza una plantilla con etiquetas que hacen referencia a las diferentes partes anatómicas del cerebro para ayudar a determinar la variabilidad entre los grupos de cerebros. Todas las imágenes son comparadas con este cerebro objetivo de modo tal que éstas puedan recoger ubicaciones anatómicas individuales y ser correctamente etiquetadas. Cortesía de la imagen de John C. Mazziotta y el ICBM.

Imagine esta escena: una mujer joven ingresa a la sala de emergencias con convulsiones. Se le realiza un estudio de resonancia magnética (MRI, por sus siglas en inglés) con el fin de individualizar cualquier anormalidad estructural en el cerebro que podría ser la causante de las convulsiones. Una lectura de las imágenes demuestra que no hay presencia de anormalidades ya que, a menudo, las alteraciones del sistema eléctrico del cerebro son sutiles.

Ahora imagine que estamos en el año 2015. Una mujer joven ingresa en una sala de emergencias con convulsiones. Las imágenes de resonancia magnética se envían a una sofisticada base de datos cerebrales en un sitio remoto. Como respuesta, nos informan que varias áreas de su cerebro no coinciden con el cerebro indexado para individuos similares, según datos relativos a la edad, género y origen étnico. Se programan pruebas específicas para evaluar las áreas afectadas del cerebro.

Si bien es cierto que tal precisión diagnóstica no tendrá lugar hasta dentro de muchos años, la sofisticada base de datos cerebrales que la impulsa se está volviendo cada vez más una realidad. Hasta el momento, los investigadores han completado imágenes cerebrales de 7,000 individuos de diversos orígenes demográficos y con edades que oscilan entre los 18 y los 90 años. Además, han recopilado información geográfica, psicológica y educativa, así como datos relativos al desarrollo y al comportamiento de cada uno de los participantes del estudio. El tipo de MRI utilizada en el estudio produce mapas cuantitativos de las características del tejido, tales como contenido de grasa y agua que luego pueden ser comparados con el paso del tiempo. Los científicos también están recabando muestras de ADN de los voluntarios que participan en el estudio, lo que podría finalmente proporcionar valiosa información acerca del modo en que los factores genéticos afectan al cerebro.

Con más de una década de elaboración, la base de datos no ha brindado aún demasiados indicios acerca de cómo funciona el cerebro. “Sólo con el paso del tiempo obtendremos resultados que nos ayuden a responder algunas de las preguntas más importantes acerca de la organización cerebral”, asegura el Dr. John C. Mazziotta, investigador principal del International Consortium for Brain Mapping (Instituto Internacional de Mapeo Cerebral, conocido por sus siglas en inglés, ICBM). El instituto está actualmente a cargo del desarrollo de la base de datos.

Lo que distingue a esta base de datos cerebrales de los diseños de mapas cerebrales anteriores es su capacidad para capturar la variabilidad en un determinado grupo de cerebros. Para lograrlo, la base de datos utiliza técnicas de obtención de imágenes elásticas o distorsionadas, algunas de las cuales fueros desarrolladas por primera vez por la industria cinematográfica. La técnica de obtención de imágenes distorsionadas permite a los investigadores trasformar la geometría de una imagen con el fin de superponerla sobre otra. Fórmulas matemáticas específicas creadas para la base de datos tienen la capacidad de comparar el atlas digital tridimensional del cerebro con una imagen digital de cualquier persona a la vez que se respetan los complejos patrones de variación en la anatomía de un individuo. El método permite a los científicos comparar un cerebro determinado con grupos de cerebros sanos o enfermos. Por ejemplo, los médicos podrían comprobar si el cerebro de un paciente dado es similar al de una persona con enfermedad de Alzheimer o con esquizofrenia.

Antes de que se desarrollaran las técnicas de mapeo, los investigadores que deseaban explorar el cerebro debían valerse de estudios post mortem en los cuales los cerebros eran cortados en rodajas y colocados bajo un microscopio para examinar las funciones celulares y físicas. “Aquella era entonces la técnica de referencia fundamental”, afirma el Dr. Mazziotta, Jefe del Departamento de Neurología de la Universidad de California, Los Ángeles.

El proyecto del ICBM, en el cual participan ocho laboratorios en siete países de cuatro continentes, inicialmente reunió información solamente acerca de la anatomía del cerebro, pero se ha ampliado para incluir otros tipos de datos. “El caudal de este atlas sigue creciendo”, declara el Dr. Mazziotta. Para trazar un mapa de los roles de áreas específicas del cerebro, los participantes del estudio son sometidos a un gran número de tareas repetitivas. Mazziotta afirma que “esto resulta terriblemente monótono, pero una vez que lo completamos, contamos con una mayor comprensión de la relación entre la estructura y las funciones del cerebro”.

Las técnicas de obtención de imágenes distorsionadas también permiten a los investigadores crear modelos de los cambios que suceden con el paso del tiempo. Los científicos pueden trazar un mapa del desarrollo normal, el envejecimiento, la progresión de una enfermedad o de los cambios que ocurren más frecuentemente, tales como el crecimiento de tumores o la recuperación de lesiones. El mapa cerebral en cuatro dimensiones que se genera representa la complejidad espacial y temporal que se observa en el cerebro humano. Al comparar múltiples imágenes cerebrales, la técnica de distorsión muestra los cambios en cada punto anatómico del cerebro en los diferentes estadios de la enfermedad o la etapa de desarrollo abarcados por las imágenes.

“Esperamos que estas estrategias proporcionen biomarcadores sustitutos sensibles para las distintas enfermedades”, declara el Dr. Mazziotta. Las herramientas que se utilizan para elaborar el atlas del cerebro humano sano también pueden aplicarse al estudio de las enfermedades cerebrales. Los investigadores tienen la posibilidad de observar el progreso de la enfermedad y realizar una comparación del individuo afectado con otros de la misma edad pero en buenas condiciones de salud. Por ejemplo, los científicos pueden medir los cambios asociados al mal de Alzheimer. Además, pueden comparar la evolución de pacientes que estén siendo sometidos a terapias convencionales para una determinada enfermedad o patología con la evolución de otros pacientes que estén siendo tratados con terapias experimentales.

Las lesiones de cabeza constituyen otra área para la cual el atlas cerebral podría resultar útil. El pronóstico para las personas que experimentan lesiones de cabeza graves varía mucho según la edad y el tipo de tratamiento. En una primera instancia, los médicos no pueden pronosticar si una persona se recuperará completamente, permanecerá en estado vegetativo o morirá.

“El trauma de cabeza representa una situación extremadamente difícil”, afirma el Dr. Mazziotta. Con la utilización del atlas cerebral y otras herramientas relacionadas, los investigadores podrían identificar las tendencias y desafíos vinculados a las lesiones de cabeza. El estudio de personas con lesión cerebral a quienes se les realiza un seguimiento prolongado podría hacer posible que los investigadores descubran si están capacitados para proporcionar un pronóstico más rápidamente.

Como un ejemplo de los trabajos adicionales que se están llevando a cabo sobre la base de datos que se incrementa constantemente, pueden mencionarse los relativos a la materia blanca del cerebro, a la red de vasos sanguíneos y a la conectividad neural. Los investigadores también colaborarán con los equipos que están desarrollando un atlas pediátrico basado en imágenes de resonancia magnética. Cuando logren combinar el atlas pediátrico con el del ICBM, contarán con información sobre el cerebro aplicable a todos los períodos de la vida humana.

“Este proyecto no culminará nunca ya que existe un número infinito de atributos observables”, comenta el Dr. Mazziotta.

Varias de las agencias que dependen de institutos de salud dentro del ámbito del gobierno de los EE.UU. están actualmente financiando al ICBM. Entre ellos se encuentran el National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (Instituto Nacional de Bioingeniería y Estudios por Imagen para las Ciencias Biomédicas), el National Institute of Mental Health (Instituto Nacional de Salud Mental), el National Institute on Drug Abuse (Instituto Nacional sobre Drogadicción), el National Cancer Institute (Instituto Nacional para la Investigación del Cáncer), el National Institute on Aging (Instituto Nacional sobre el Envejecimiento) y el National Institute of Neurological Disorders and Stroke (Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares).

Referencias

Toga A y Thompson P, Temporal dynamics of brain anatomy. Annual Review of Biomedical Engineering 5:119-45, 2003.

Mazziotta J, et al., A four-dimensional probabilistic atlas of the human brain, Journal of the American Medical Informatics Association 8, 401-430, 2001.