Técnicas de imagen más utilizadas por la neurociencia

El desarrollo de las técnicas de imagen ha transformado profundamente la neurociencia al permitir la observación del sistema nervioso de manera no invasiva y con un nivel de detalle impensable hace apenas unas décadas. Antes de la aparición de estos métodos, gran parte del conocimiento sobre la anatomía y el funcionamiento cerebral procedía de estudios post mortem, modelos animales o del análisis de pacientes con lesiones neurológicas. Aunque estas aproximaciones siguen siendo valiosas, la incorporación de las modernas técnicas de imagen ha permitido estudiar el cerebro humano vivo, favoreciendo la comprensión de la organización anatómica, los procesos fisiológicos y las alteraciones asociadas con diversas enfermedades neurológicas y psiquiátricas (Cabeza, Nyberg, 2000; Huettel et al., 2014).

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Actualmente, la neurociencia dispone de un amplio conjunto de técnicas que pueden clasificarse, de manera general, en métodos de imagen estructural y métodos de imagen o registro funcional. Las primeras se orientan a describir con gran precisión la anatomía cerebral, mientras que las segundas permiten analizar la actividad del sistema nervioso mediante cambios metabólicos, hemodinámicos o eléctricos. La combinación de ambas aproximaciones ha enriquecido tanto la práctica clínica como la investigación básica y aplicada, facilitando el diagnóstico temprano de numerosas patologías, el seguimiento de tratamientos y el estudio de procesos cognitivos como la memoria, la atención, el lenguaje y la emoción.

Técnicas de imagen estructural

Las técnicas de imagen estructural son métodos de neuroimagen cuyo objetivo principal consiste en representar con precisión la anatomía del sistema nervioso. A diferencia de las técnicas funcionales, estas herramientas no se centran en registrar la actividad cerebral durante la realización de una tarea, sino en obtener imágenes detalladas de la morfología de los tejidos, permitiendo identificar estructuras normales y alteraciones anatómicas. Gracias a su elevada resolución espacial, estas técnicas son fundamentales para detectar lesiones, tumores, hemorragias, malformaciones congénitas, procesos degenerativos y otras alteraciones que afectan la integridad del encéfalo.

Entre las herramientas de imagen estructural más utilizadas destacan la resonancia magnética estructural (RMe) y la tomografía computarizada (TC). Aunque ambas permiten visualizar el cerebro, difieren considerablemente en sus principios físicos, resolución, indicaciones clínicas y limitaciones. Mientras la RMe emplea campos magnéticos y ondas de radio para generar imágenes con un excelente contraste entre tejidos blandos, la TC utiliza rayos X para producir reconstrucciones transversales del organismo con gran rapidez, característica especialmente útil en situaciones de urgencia. Estas diferencias hacen que ambas técnicas sean complementarias dentro de la práctica clínica y la investigación neurocientífica.

Resonancia magnética estructural (RMe)

La resonancia magnética estructural (RMe) es una de las técnicas de imagen más importantes de la neurociencia contemporánea debido a su capacidad para obtener representaciones anatómicas del cerebro con una resolución espacial muy elevada y sin utilizar radiación ionizante. Su funcionamiento se basa en principios de la resonancia magnética nuclear. En términos generales, un potente campo magnético alinea los protones de hidrógeno presentes en los tejidos corporales y, posteriormente, pulsos de radiofrecuencia alteran temporalmente esa alineación. Cuando cesa el estímulo, los protones regresan a su estado de equilibrio liberando señales electromagnéticas que son captadas por la máquina y procesadas mediante algoritmos computacionales para reconstruir imágenes tridimensionales de gran detalle (Huettel et al., 2014).

Una de las principales fortalezas de la RMe radica en su excelente contraste entre diferentes tipos de tejido, lo que permite distinguir con claridad la sustancia gris, la sustancia blanca, el líquido cefalorraquídeo y numerosas estructuras subcorticales. Además, la posibilidad de emplear distintas secuencias de adquisición, como las imágenes ponderadas en T1, T2 o FLAIR, proporciona información complementaria sobre las características anatómicas y patológicas del cerebro. Esta versatilidad ha convertido a la RMe en el método de referencia para la evaluación de múltiples enfermedades neurológicas, incluyendo tumores, epilepsia, esclerosis múltiple, enfermedades neurodegenerativas y anomalías del desarrollo cerebral (Lerch et al., 2017).

Tomografía computarizada (TC)

La tomografía computarizada (TC), también denominada tomografía axial computarizada (TAC), es una de las técnicas de imagen estructural más utilizadas en medicina y neurociencia clínica debido a su rapidez de adquisición, amplia disponibilidad y elevada capacidad para detectar alteraciones intracraneales agudas. Su funcionamiento se basa en el empleo de rayos X emitidos desde múltiples ángulos alrededor de la cabeza. Los diferentes tejidos absorben la radiación en distinta medida según su densidad; posteriormente, detectores especializados registran la intensidad de los rayos que atraviesan el organismo, y un sistema computacional reconstruye imágenes transversales del encéfalo mediante algoritmos matemáticos de reconstrucción (Bushberg et al., 2021).

Una de las principales ventajas de la TC consiste en la velocidad con la que puede obtener imágenes diagnósticas, generalmente en pocos minutos. Esta característica la convierte en la prueba de elección en situaciones de urgencia, especialmente cuando existe sospecha de traumatismo craneoencefálico, hemorragia intracerebral, fracturas del cráneo o accidente cerebrovascular hemorrágico. La sangre reciente y las estructuras óseas presentan una elevada atenuación de los rayos X, por lo que aparecen claramente diferenciadas en las imágenes, facilitando la identificación inmediata de lesiones potencialmente mortales (Wintermark et al., 2008).

No obstante, la resolución de contraste de la TC para los tejidos blandos es inferior a la obtenida mediante resonancia magnética estructural, lo que limita su sensibilidad para detectar lesiones pequeñas, alteraciones desmielinizantes o cambios sutiles asociados con enfermedades neurodegenerativas. Asimismo, la utilización de radiación ionizante obliga a valorar cuidadosamente la relación riesgo-beneficio, especialmente en niños, mujeres embarazadas y pacientes que requieren exploraciones repetidas. En determinadas circunstancias también puede emplearse un medio de contraste yodado para mejorar la visualización de vasos sanguíneos o lesiones con alteración de la barrera hematoencefálica, aunque su administración implica riesgos como reacciones alérgicas o nefrotoxicidad en pacientes susceptibles (Bushberg et al., 2021).

Técnicas de imagen y registro funcional

A diferencia de las técnicas de imagen estructural, cuyo propósito es describir la anatomía del sistema nervioso, las técnicas de imagen y registro funcional permiten estudiar la actividad cerebral mientras el individuo realiza una tarea cognitiva, experimenta una emoción o permanece en estado de reposo. Estas metodologías parten del principio de que la actividad neuronal produce cambios fisiológicos medibles, como modificaciones en el flujo sanguíneo cerebral, el consumo de glucosa, la oxigenación de la sangre o la generación de señales eléctricas. El análisis de estos cambios proporciona información sobre el funcionamiento dinámico del cerebro y sobre la interacción entre distintas regiones cerebrales.

Dentro de este grupo destacan la resonancia magnética funcional (RMf), la electroencefalografía (EEG) y la tomografía por emisión de positrones (PET). Cada una de estas técnicas ofrece ventajas particulares relacionadas con su resolución espacial, resolución temporal, sensibilidad fisiológica y aplicaciones clínicas o de investigación. Debido a sus características complementarias, con frecuencia se utilizan de forma conjunta para obtener una visión más completa de la organización funcional del sistema nervioso.

Resonancia magnética funcional (RMf)

La resonancia magnética funcional (RMf) permite identificar regiones cerebrales cuya actividad cambia durante la realización de procesos cognitivos, sensoriales, motores o emocionales sin necesidad de procedimientos invasivos. Aunque utiliza el mismo equipo físico que la resonancia magnética estructural, la RMf no se orienta a obtener imágenes anatómicas, sino a registrar modificaciones fisiológicas relacionadas con la actividad neuronal. El fundamento más empleado es el contraste dependiente del nivel de oxigenación de la sangre, conocido como señal BOLD (Blood Oxygenation Level-Dependent (Ogawa et al., 1990).

Cuando una población de neuronas incrementa su actividad, aumenta su demanda energética. Como respuesta, el flujo sanguíneo local se incrementa en una proporción superior al consumo de oxígeno, produciendo una disminución relativa de la concentración de desoxihemoglobina. Debido a que esta molécula posee propiedades magnéticas distintas de la oxihemoglobina, el cambio puede detectarse mediante resonancia magnética y emplearse como un indicador indirecto de la actividad neuronal (Logothetis, 2008). Aunque la señal BOLD no mide directamente los potenciales de acción, numerosos estudios han demostrado que mantiene una estrecha relación con la actividad sináptica de las neuronas.

La RMf ofrece una excelente resolución espacial, generalmente del orden de milímetros, lo que permite localizar con precisión las regiones cerebrales implicadas en diferentes funciones cognitivas. En contraste, su resolución temporal es relativamente limitada, ya que la respuesta hemodinámica ocurre varios segundos después de la actividad neuronal. A pesar de esta limitación, la técnica ha revolucionado el estudio del lenguaje, la memoria, la atención, la toma de decisiones, las emociones y las funciones ejecutivas. Además, el análisis de conectividad funcional ha permitido identificar redes cerebrales distribuidas, como la red por defecto (default mode network), cuya alteración se ha relacionado con diversas enfermedades neurológicas y psiquiátricas (Fox, Raichle, 2007).

Electroencefalografía (EEG)

La electroencefalografía (EEG) es una de las técnicas de registro funcional más antiguas y utilizadas en neurociencia. Consiste en la medición de la actividad eléctrica cerebral mediante electrodos colocados sobre el cuero cabelludo, los cuales detectan las variaciones de potencial generadas por la actividad sincronizada de grandes poblaciones neuronales, especialmente de las neuronas piramidales de la corteza cerebral. Esta técnica permite registrar las oscilaciones eléctricas cerebrales con una resolución temporal del orden de milisegundos, lo que la convierte en una herramienta fundamental para estudiar la dinámica rápida de los procesos neuronales (Niedermeyer, da Silva, 2005).

El principio de funcionamiento de la EEG se basa en la captación de señales eléctricas muy pequeñas producidas por la actividad postsináptica de las neuronas. Estas señales son amplificadas y registradas en forma de trazados temporales conocidos como electroencefalogramas. A partir de ellos es posible analizar diferentes ritmos cerebrales, como las ondas delta, theta, alfa, beta y gamma, cada una asociada con distintos estados fisiológicos y cognitivos (Buzsáki, 2006).

La principal ventaja de la EEG es su excelente resolución temporal, que permite identificar con gran precisión el momento en que ocurren determinados procesos cerebrales. Esta característica la hace especialmente útil para estudiar fenómenos como la percepción sensorial, la atención, el procesamiento del lenguaje y la toma de decisiones. Sin embargo, su resolución espacial es limitada en comparación con otras técnicas de imagen, ya que la señal eléctrica registrada en el cuero cabelludo se encuentra influida por la propagación de los campos eléctricos a través del cráneo y los tejidos circundantes.

Tomografía por emisión de positrones (PET)

La tomografía por emisión de positrones (PET) es una técnica de imagen funcional que permite estudiar el metabolismo cerebral, el flujo sanguíneo y la actividad neuroquímica mediante el uso de radiofármacos emisores de positrones. A través de ella, es posible obtener información cuantitativa sobre procesos fisiológicos específicos al detectar la distribución de moléculas marcadas radiactivamente dentro del organismo (Phelps, 2000).

El principio físico de la PET se basa en la emisión de positrones por parte del radioisótopo incorporado al radiofármaco. Cuando un positrón colisiona con un electrón, se produce un proceso de aniquilación que genera dos fotones gamma emitidos en direcciones opuestas. Estos fotones son detectados simultáneamente por un anillo de detectores que rodea al paciente, y la información obtenida es procesada por una computadora para reconstruir imágenes tridimensionales de la distribución del radiofármaco en el cerebro. De esta manera, las áreas con mayor captación reflejan una mayor actividad metabólica o una mayor concentración de la molécula estudiada.

Entre sus limitaciones se encuentran la exposición a radiación ionizante, el elevado costo del procedimiento y la necesidad de contar con infraestructura especializada para la producción y manejo de radioisótopos. Asimismo, su resolución temporal es inferior a la de la EEG y su resolución espacial, aunque adecuada para muchas aplicaciones, suele ser menor que la de la resonancia magnética estructural. A pesar de ello, la PET sigue siendo una de las técnicas de imagen más relevantes para investigar el metabolismo cerebral y la neuroquímica humana.

Aplicaciones clínicas de las técnicas de imagen estructural

Las técnicas de imagen estructural son indispensables para el diagnóstico, la planificación terapéutica y el seguimiento de una amplia variedad de enfermedades. Su principal fortaleza radica en la capacidad para representar con gran precisión la anatomía cerebral, permitiendo identificar alteraciones morfológicas que, en muchos casos, explican los signos y síntomas neurológicos del paciente. Tanto la resonancia magnética estructural como la tomografía computarizada forman parte de los estudios de primera línea en neurología, neurocirugía y neurorradiología, aunque cada una presenta indicaciones particulares de acuerdo con sus características técnicas (Elster, 2018).

En el contexto de las urgencias neurológicas, la TC constituye la prueba inicial de elección para la evaluación del traumatismo craneoencefálico y del accidente cerebrovascular agudo. Su rapidez permite detectar hemorragias intracraneales, fracturas del cráneo, hematomas epidurales y subdurales, hidrocefalia aguda y otras lesiones que requieren intervención inmediata. En contraste, la RMe ofrece una sensibilidad considerablemente mayor para identificar lesiones isquémicas tempranas, pequeñas alteraciones de la sustancia blanca, tumores de bajo grado y lesiones inflamatorias o desmielinizantes, por lo que suele emplearse cuando el estado clínico del paciente permite realizar una exploración más prolongada (Wardlaw et al., 2015).

Las técnicas de imagen estructural también desempeñan un papel central en el diagnóstico de enfermedades neurodegenerativas. Aunque muchas de estas patologías se caracterizan inicialmente por alteraciones funcionales, la progresiva pérdida neuronal produce patrones de atrofia cerebral que pueden detectarse mediante resonancia magnética (Frisoni et al., 2010).

Otra aplicación clínica relevante consiste en la planificación de procedimientos neuroquirúrgicos. Las imágenes anatómicas de alta resolución permiten localizar tumores, malformaciones vasculares o focos epileptógenos, facilitando la delimitación de estructuras críticas que deben preservarse durante la cirugía. Asimismo, estas técnicas son fundamentales para monitorizar la evolución de lesiones cerebrales, valorar la respuesta a tratamientos oncológicos o detectar recurrencias.

Aplicaciones clínicas de las técnicas de imagen y registro funcional

Las técnicas de imagen y registro funcional complementan la información anatómica proporcionada por las modalidades estructurales al ofrecer datos sobre el funcionamiento del sistema nervioso. En lugar de mostrar únicamente la localización de una lesión, estas herramientas permiten evaluar cómo dicha alteración afecta la actividad cerebral, el metabolismo, la conectividad neuronal o la transmisión eléctrica (Huettel et al., 2014).

Una de las aplicaciones clínicas más consolidadas corresponde a la evaluación prequirúrgica de pacientes con epilepsia farmacorresistente. La resonancia magnética funcional permite identificar áreas corticales responsables del lenguaje, la memoria y otras funciones cognitivas que deben preservarse durante la resección del foco epileptógeno. De forma complementaria, la electroencefalografía (EEG) continúa siendo el método de referencia para registrar la actividad epileptiforme y localizar la región donde se originan las crisis (Rosenow, Lüders, 2001).

La tomografía por emisión de positrones (PET) también posee importantes aplicaciones clínicas. En pacientes con enfermedad de Alzheimer y otras demencias, el estudio del metabolismo cerebral mediante ^18F-FDG permite identificar patrones característicos de hipometabolismo incluso antes de que aparezcan cambios anatómicos evidentes en la resonancia magnética. Asimismo, el desarrollo de radiofármacos dirigidos contra proteínas como la β-amiloide y la tau ha ampliado las posibilidades diagnósticas de las enfermedades neurodegenerativas, favoreciendo una detección más temprana y una mejor caracterización de los procesos patológicos (Jack et al., 2018).

Por otra parte, la EEG desempeña un papel fundamental en el diagnóstico de trastornos del sueño, encefalopatías metabólicas, estados de coma y muerte encefálica, debido a su elevada resolución temporal y a su capacidad para registrar la actividad eléctrica cerebral en tiempo real. La RMf también ha comenzado a incorporarse al estudio de trastornos psiquiátricos y del dolor crónico, aunque muchas de estas aplicaciones permanecen principalmente en el ámbito de la investigación clínica.

Las técnicas de imagen estructural en la investigación

Las técnicas de imagen estructural han adquirido un papel central en la investigación neurocientífica porque permiten estudiar la organización anatómica del sistema nervioso de forma cuantitativa, reproducible y no invasiva (Lerch et al., 2017).

Una aplicación importante consiste en los estudios longitudinales, en los cuales se realizan exploraciones repetidas mediante resonancia magnética estructural para observar cómo evoluciona el cerebro a lo largo del tiempo. Este tipo de investigaciones ha demostrado que la estructura cerebral presenta una notable plasticidad y puede modificarse como resultado del aprendizaje, el entrenamiento intensivo o la rehabilitación después de una lesión. Asimismo, estas técnicas de imagen han permitido identificar biomarcadores anatómicos asociados con la progresión de enfermedades neurodegenerativas, facilitando el diseño y la evaluación de nuevos tratamientos antes de que aparezcan manifestaciones clínicas graves (Frisoni et al., 2010).

Las técnicas de imagen estructural también constituyen un elemento esencial en proyectos internacionales de gran escala, como el Human Connectome Project y otras iniciativas de neuroimagen poblacional. Estos estudios combinan imágenes anatómicas de alta resolución con información genética, cognitiva y conductual para analizar la variabilidad cerebral en miles de individuos. Gracias a ello, ha sido posible construir atlas anatómicos cada vez más precisos, mejorar los métodos de segmentación automática y comprender cómo factores biológicos y ambientales influyen sobre la organización del cerebro humano. En conjunto, la investigación basada en técnicas de imagen estructural continúa ampliando el conocimiento sobre la arquitectura cerebral y proporciona un fundamento indispensable para interpretar los hallazgos obtenidos mediante las modalidades funcionales.

Las técnicas de imagen y registro funcional en la investigación

La RMf ha sido una de las técnicas de imagen más influyentes en el contexto de la investigación. Mediante el análisis de la señal BOLD, los investigadores pueden identificar qué regiones cerebrales incrementan su actividad durante tareas relacionadas con la memoria, la atención, el lenguaje, la percepción, la toma de decisiones o el control ejecutivo. Además, el estudio de la conectividad funcional ha permitido demostrar que el cerebro opera como una red distribuida de regiones interconectadas y no como un conjunto de áreas independientes. Este enfoque ha favorecido la identificación de redes funcionales de gran escala, como la red por defecto, la red de control ejecutivo y las redes sensoriomotoras, ampliando considerablemente la comprensión de la organización cerebral (Fox, Raichle, 2007).

Por su parte, la EEG continúa siendo una herramienta indispensable para investigar la cronología de los procesos cognitivos. Gracias a su resolución temporal del orden de milisegundos, permite determinar con gran precisión cuándo ocurren determinados eventos neuronales, aspecto que no puede obtenerse mediante la resonancia magnética funcional. El análisis de potenciales relacionados con eventos (ERP) ha permitido estudiar fenómenos como la percepción, la atención selectiva, la memoria de trabajo, el procesamiento semántico y la toma de decisiones, proporcionando información fundamental sobre la secuencia temporal de la actividad cerebral (Luck, 2014).

La PET, por su parte, ha ampliado las posibilidades de la investigación al permitir estudiar procesos moleculares y neuroquímicos in vivo. Gracias al desarrollo de radiofármacos específicos, actualmente es posible evaluar la distribución de receptores para distintos neurotransmisores, cuantificar procesos inflamatorios o analizar la acumulación de proteínas asociadas con enfermedades neurodegenerativas. Estas aplicaciones han permitido profundizar en la comprensión de trastornos como la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer, la esquizofrenia y las adicciones (Phelps, 2000).

Referencias:

Bushberg, J., et al. (2021). The essential physics of medical imaging (4th ed.). Wolters Kluwer.
Buzsáki, G. (2006). Rhythms of the brain. Oxford University Press.
Cabeza, R., Nyberg, L. (2000). Imaging cognition II: An empirical review of 275 PET and fMRI studies. Journal of Cognitive Neuroscience, 12(1), 1–47. direct.mit.edu
Elster, A. (2018). Questions and answers in magnetic resonance imaging (3rd ed.). Elster LLC.
Fox, M., Raichle, M. (2007). Spontaneous fluctuations in brain activity observed with functional magnetic resonance imaging. Nature Reviews Neuroscience, 8(9), 700–711. tmslab.org
Frisoni, G. et al. (2010). The clinical use of structural MRI in Alzheimer disease. Nature Reviews Neurology, 6(2), 67–77. researchgate.net
Huettel, S. A., Song, A. W., & McCarthy, G. (2014). Functional magnetic resonance imaging (3rd ed.). Sinauer Associates.
Jack, C., et al. (2018). NIA-AA Research Framework: Toward a biological definition of Alzheimer’s disease. Alzheimer’s & Dementia, 14(4), 535–562. aaic.alz.org
Lerch, J., et al. (2017). Studying neuroanatomy using MRI. Nature Neuroscience, 20(3), 314–326. ebrain.pitt.edu
Logothetis, N. (2008). What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature, 453(7197), 869–878. nature.com
Luck, S. J. (2014). An introduction to the event-related potential technique (2nd ed.). MIT Press.
Niedermeyer, E., da Silva, F. L. (2005). Electroencephalography: Basic principles, clinical applications, and related fields (5th ed.). Lippincott Williams & Wilkins.
Phelps, M. (2000). PET: Molecular imaging and its biological applications. Springer.
Rosenow, F., Lüders, H. (2001). Presurgical evaluation of epilepsy. Brain, 124(9), 1683–1700. scispace.com
Wardlaw, J., Smith, C., Dichgans, M. (2015). Small vessel disease: Mechanisms and clinical implications. The Lancet Neurology, 14(7), 684–696. semanticscholar.org
Wintermark, M., et al. (2008). Imaging recommendations for acute stroke and transient ischemic attack patients. American Journal of Neuroradiology, 34(11), E117–E127. escholarship.org

Créditos de imagen de portada: Foto de Valery Arispe