Las tecnologías de imagen y registro neurofisiológico han experimentado un desarrollo acelerado durante las últimas décadas, impulsando una transformación significativa en la manera en que la neurociencia estudia la estructura y la función del sistema nervioso. Mientras que las técnicas clásicas, como la resonancia magnética funcional (fMRI), la electroencefalografía (EEG) y la magnetoencefalografía (MEG), continúan siendo herramientas fundamentales para la investigación y la práctica clínica, la aparición de nuevos métodos ha permitido superar algunas de sus limitaciones relacionadas con la resolución espacial, la resolución temporal, la movilidad de los participantes y la sensibilidad para detectar la actividad cerebral.
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El interés por estas metodologías radica en su capacidad para ampliar el estudio del cerebro en condiciones más cercanas al comportamiento cotidiano y para mejorar la caracterización de procesos fisiológicos y patológicos que anteriormente resultaban difíciles de observar mediante procedimientos convencionales. La OP-MEG posibilita registrar la actividad electromagnética cerebral con sensores portátiles y adaptables al movimiento del sujeto, mientras que el fUS proporciona imagen funcional de la actividad cerebral mediante la detección de cambios en el flujo sanguíneo con una resolución espacio-temporal excepcional (Boto et al., 2019; Macé et al., 2018). Estas tecnologías representan un avance relevante tanto para el diagnóstico clínico como para la investigación básica y traslacional, al ofrecer nuevas oportunidades para comprender la organización dinámica del cerebro humano y sus alteraciones desde una perspectiva cada vez más precisa.
¿Qué son las tecnologías de imagen y registro neurofisiológico?
Las tecnologías de imagen y registro neurofisiológico constituyen el conjunto de métodos e instrumentos destinados a observar, medir y caracterizar la estructura, la función y la dinámica del sistema nervioso de manera no invasiva o mínimamente invasiva. Estas herramientas permiten obtener información complementaria acerca de la organización anatómica del cerebro, la actividad eléctrica y magnética generada por las neuronas, así como de los cambios hemodinámicos y metabólicos asociados con el procesamiento de la información (Boto et al., 2022; Raichle, 2009).
Desde una perspectiva funcional, estas tecnologías pueden clasificarse según el fenómeno fisiológico que registran. Algunas técnicas, como la electroencefalografía (EEG) y la magnetoencefalografía (MEG), realizan un registro neurofisiológico directo de la actividad neuronal mediante la detección de potenciales eléctricos o campos magnéticos generados por poblaciones de neuronas corticales. Debido a que estas señales se producen en escalas del orden de milisegundos, ambas metodologías ofrecen una resolución temporal muy elevada, lo que las convierte en herramientas idóneas para estudiar procesos cognitivos rápidos como la percepción, la atención, el lenguaje o la toma de decisiones. En contraste, modalidades de imagen funcional como la resonancia magnética funcional (fMRI) y el ultrasonido funcional (fUS) cuantifican cambios vasculares asociados con la actividad neuronal, proporcionando una resolución espacial considerablemente superior, aunque registran respuestas fisiológicas más lentas derivadas del acoplamiento neurovascular (Macé et al., 2018).
En los últimos años, el desarrollo tecnológico ha favorecido la convergencia entre ambas aproximaciones. Las nuevas tecnologías buscan combinar una elevada resolución temporal con una resolución espacial cada vez más precisa, además de mejorar la portabilidad, la comodidad del participante y la posibilidad de realizar estudios durante el movimiento (Boto et al., 2018; Boto et al., 2019).
¿En qué consiste la magnetoencefalografía de bombeo óptico (OP-MEG)?
La magnetoencefalografía de bombeo óptico (Optically Pumped Magnetoencephalography, OP-MEG) se basa en el empleo de magnetómetros de bombeo óptico (OPM), sensores cuánticos capaces de detectar los extremadamente débiles campos magnéticos generados por la actividad eléctrica de las neuronas corticales (Boto et al., 2018; Hill et al., 2020).
El principio físico de esta tecnología consiste en utilizar vapor de átomos alcalinos, generalmente rubidio, contenidos en una pequeña celda de vidrio. Mediante un láser polarizado se orientan los espines atómicos, proceso conocido como bombeo óptico. Cuando los campos magnéticos producidos por la actividad cerebral modifican dicha orientación, el cambio puede detectarse a través de variaciones en la absorción o transmisión de la luz láser, permitiendo medir con gran precisión la intensidad y dirección del campo magnético. Debido a que este mecanismo no requiere enfriamiento criogénico, los sensores pueden diseñarse en formatos ligeros y portátiles, favoreciendo configuraciones personalizadas para diferentes tamaños de cabeza y poblaciones como niños o personas con trastornos del movimiento (Boto et al., 2019).
Una ventaja distintiva de la OP-MEG es que permite adquirir datos mientras el participante realiza movimientos naturales de la cabeza e incluso del cuerpo, siempre que el registro se lleve a cabo en ambientes con adecuado blindaje magnético y utilizando algoritmos de compensación del movimiento. En consecuencia, la OP-MEG amplía las posibilidades experimentales al permitir estudiar procesos como la locomoción, la interacción social, el desarrollo infantil o el comportamiento motor en condiciones ecológicamente más realistas. Asimismo, su elevada resolución temporal, del orden de milisegundos, permite registrar de forma directa la dinámica neuronal con una precisión difícilmente alcanzable por otras modalidades de imagen funcional (Boto et al., 2018; Hill et al., 2020; Brookes et al., 2022).
¿En qué consiste el ultrasonido funcional (fUS)?
El desarrollo del ultrasonido funcional (Functional Ultrasound, fUS) ha permitido obtener mapas funcionales de la actividad cerebral con una resolución espacial y temporal superior a la ofrecida por muchas técnicas hemodinámicas convencionales. A diferencia de la resonancia magnética funcional (fMRI), que detecta cambios en la oxigenación sanguínea mediante la señal BOLD, el fUS utiliza ondas ultrasónicas de alta frecuencia para medir variaciones extremadamente pequeñas en el volumen y la velocidad del flujo sanguíneo cerebral. Dado que la actividad neuronal incrementa el consumo energético de regiones específicas del cerebro, se produce un aumento localizado del aporte sanguíneo conocido como acoplamiento neurovascular. El fUS aprovecha este principio fisiológico para generar imagen funcional de alta sensibilidad, permitiendo inferir la actividad neuronal a partir de los cambios en la microvasculatura cerebral (Macé et al., 2018; Rabut et al., 2020).
El funcionamiento de esta tecnología se basa en la emisión de secuencias ultrarrápidas de pulsos acústicos que atraviesan el tejido cerebral y son reflejados por los glóbulos rojos en movimiento. Mediante algoritmos avanzados de Doppler ultrasensible es posible distinguir estas señales del resto de los ecos provenientes del tejido estático, obteniendo mediciones muy precisas de la perfusión sanguínea en vasos de pequeño calibre. Este procedimiento permite adquirir miles de imágenes por segundo y reconstruir mapas dinámicos del flujo sanguíneo cerebral con resoluciones espaciales cercanas a los 100 μm y resoluciones temporales del orden de decenas de milisegundos, características que superan ampliamente las capacidades de muchas modalidades de imagen funcional utilizadas de manera rutinaria (Macé et al., 2018; Tanter, Fink, 2014).
Aunque todavía enfrenta limitaciones relacionadas con la penetración del ultrasonido a través del cráneo intacto en adultos, el continuo desarrollo de transductores, algoritmos de reconstrucción y métodos de corrección de aberraciones acústicas ha ampliado significativamente su potencial.
Uso clínico de las tecnologías de imagen y registro neurofisiológico
La incorporación de la magnetoencefalografía de bombeo óptico (OP-MEG) y del ultrasonido funcional (fUS) al ámbito clínico está ampliando las posibilidades diagnósticas y terapéuticas de diversas enfermedades neurológicas.
En el caso de la OP-MEG, una de las aplicaciones clínicas más prometedoras corresponde a la evaluación prequirúrgica de pacientes con epilepsia farmacorresistente. La elevada resolución temporal de este registro neurofisiológico facilita la localización de focos epileptógenos mediante la detección de campos magnéticos asociados con descargas interictales, incluso en situaciones donde el movimiento del paciente dificultaría el uso de la magnetoencefalografía convencional (Boto et al., 2018). Asimismo, la OP-MEG ha mostrado utilidad potencial en la planificación neuroquirúrgica mediante el mapeo funcional de áreas relacionadas con el lenguaje, la función motora y el procesamiento sensorial, contribuyendo a reducir el riesgo de déficits neurológicos posoperatorios (Brookes et al., 2022).
Por su parte, el ultrasonido funcional ofrece una modalidad de imagen capaz de monitorizar cambios hemodinámicos cerebrales con una resolución espacial y temporal muy elevada. En el contexto clínico, esta tecnología ha demostrado utilidad durante procedimientos neuroquirúrgicos, donde permite identificar regiones funcionalmente activas y evaluar la perfusión cerebral en tiempo real. También se ha empleado para estudiar alteraciones vasculares asociadas con tumores, accidentes cerebrovasculares y otras patologías neurovasculares, proporcionando información que puede complementar la obtenida mediante resonancia magnética funcional o angiografía. En neonatología, el fUS ha mostrado resultados prometedores para evaluar la actividad cerebral a través de la fontanela, evitando procedimientos más complejos o costosos (Imbault et al., 2017; Rabut et al., 2020).
Aplicaciones de las tecnologías de imagen y registro neurofisiológico en la investigación
Las aplicaciones de la OP-MEG y del fUS en la investigación neurocientífica han crecido de manera notable debido a su capacidad para proporcionar información complementaria sobre la actividad cerebral con altos niveles de resolución espacial y temporal.
En el caso de la OP-MEG, una de sus principales contribuciones consiste en la posibilidad de registrar la actividad cerebral durante tareas que implican movimiento natural. Gracias a sus sensores portátiles, la OP-MEG permite estudiar procesos como la locomoción, la coordinación motora, la interacción social cara a cara, el desarrollo infantil e incluso el aprendizaje en contextos ecológicamente válidos (Boto et al., 2018; Brookes et al., 2022).
Por su parte, el ultrasonido funcional ha revolucionado la investigación en neurociencia al ofrecer imagen funcional de alta resolución sobre extensas regiones cerebrales e, incluso, sobre el cerebro completo en modelos animales. Gracias a su elevada sensibilidad para detectar cambios en la microcirculación cerebral, el fUS permite analizar la organización de redes neuronales, la propagación de la actividad cortical y subcortical, así como las modificaciones hemodinámicas asociadas con tareas sensoriales, cognitivas o motoras. Esta capacidad ha favorecido investigaciones sobre plasticidad cerebral, epilepsia, enfermedad de Parkinson, accidente cerebrovascular y otras alteraciones neurológicas, además de facilitar la evaluación de nuevas estrategias terapéuticas y farmacológicas mediante el seguimiento de cambios funcionales en tiempo real (Rabut et al., 2020; Macé et al., 2018).
Otro aspecto especialmente relevante es el potencial de ambas tecnologías para integrarse con otras modalidades de imagen y registro neurofisiológico, como la resonancia magnética funcional, la electroencefalografía o la estimulación cerebral no invasiva. La combinación de estas herramientas permite obtener una caracterización más completa de la actividad cerebral al integrar información anatómica, eléctrica, magnética y hemodinámica dentro de un mismo marco experimental.
Referencias:
- Boto, E., et al. (2018). Moving magnetoencephalography towards real-world applications with a wearable system. Nature, 555(7698), 657–661. discovery.ucl.ac.uk
- Boto, E., et al. (2019). Wearable neuroimaging: Combining and contrasting magnetoencephalography and electroencephalography. Neuroimage, 201(80). discovery.ucl.ac.uk
- Brookes, M., et al. (2022). Magnetoencephalography with optically pumped magnetometers (OPM-MEG): The next generation of functional neuroimaging. Trends in Neurosciences, 45(8), 621–634. cell.com
- Hill, R., et al. (2020). A tool for functional brain imaging with lifespan compliance. Nature Communications, 11. nature.com
- Imbault, M., et al. (2017). Intraoperative functional ultrasound imaging of human brain activity. Scientific Reports, 7, Article 7304. scispace.com
- Macé, É., et al. (2018). Functional ultrasound imaging of the brain. Nature Methods, 15(8), 568–570. bme.unc.edu
- Rabut, C., et al. (2020). 4D functional ultrasound imaging of whole-brain activity in rodents. Nature Methods, 17(10), 1007–1012. hal.science
- Raichle, M. (2009). A paradigm shift in functional brain imaging. Journal of Neuroscience, 29(41), 12729–12734. jneurosci.org
- Tanter, M., Fink, M. (2014). Ultrafast imaging in biomedical ultrasound. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 61(1), 102–119. ieeexplore.ieee.org
Créditos de imagen de portada: NIMH Image library
