Los Componentes Básicos del Cerebro: Sobre protones y vóxeles

Artículo original: The Brain’s Building Blocks: Of Protons and Voxels Gabrielle Torre

Traducido por Fernanda Lomeli

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¿De qué se compone el cerebro? Aquello a lo cual llamamos un vóxel se escucharía mucho menos confuso por cualquier otro nombre.

Imaginemos todos los átomos del cerebro. Ahora imaginemos cómo es que estos átomos se han de comportar dentro de un imán gigante. Afortunadamente, hay una técnica que nos permite ver exactamente lo que pasaría. La resonancia magnética estructural usa el comportamiento de los componentes básicos de la materia – como los átomos y sus protones – para crear una verdadera técnica interdisciplinaria que abarca la física, la biología, y la informática para poder “fotografiar” el cerebro.

Con la resonancia magnética estructural descubrimos que la corteza frontal crece durante el desarrollo y que el lóbulo temporal se degenera en la enfermedad de alzhéimer. El cerebro, ya sea en estado de desarrollo o enfermo, como cualquier otra materia viva, está compuesto de los componentes más básicos de la naturaleza. De estos componentes, los protones son extremadamente importantes para la resonancia magnética.  Aunque muchos hallazgos en la neurociencia se han logrado con la producción de imágenes cerebrales brillantes y bellas, solemos discutir menos cómo estas imágenes dependen de nuestra habilidad de medir los componentes básicos del cerebro.  ¿Cómo es que la neuroimagenología aprovecha las propiedades cuánticas del cerebro para adquirir información? ¿Cómo es que la física básica nos ayuda a ver dentro de la estructura neural de un individuo?

Aparecen señales monocromáticas: surge la historia de un cerebro con vida

La respuesta: Un poco de agua y bastante de algo llamado vóxel.

Un aparato de resonancia magnética, por su apelativo, es un imán gigantesco. Casi todos los aparatos usados para la investigación con humanos tienen un rango de 1.5 a 3 Tesla (la unidad de intensidad del campo magnético) – esto es muy, pero muy fuerte. Esta intensidad magnética puede cargar hasta dos mil libras, casi el peso de un vehículo pequeño. El cerebro no es como un vehículo, no está hecho de metal, sino de agua.  El cerebro se puede imaginar como una masa genérica compuesta de moléculas de agua, cuyos núcleos contienen protones de hidrógeno los cuales pueden tener propiedades magnéticas, como pequeños imanes. El fenómeno responsable de la propiedad magnética se conoce como espín: El espín es un movimiento intrínseco para una partícula subatómica como un protón. La física elemental nos demuestra cómo ese movimiento crea una corriente y cómo esa misma corriente crea un campo magnético. Los inventores de la resonancia magnética reconocieron este concepto.  Crucialmente, hay suficiente agua en el cerebro, y por ende protones, para crear un momento magnético que puede ser contrastado contra alguna fuerza magnética aún más fuerte.  Por lo tanto, en un aparato de resonancia magnética, el conjunto de los protones del cerebro forma un momento magnético neto debido al espín, el cual brinda a los investigadores una oportunidad de explorar el cerebro usando nada más que las fuerzas electromagnéticas.

El espín y sus propiedades magnéticas pueden cambiar. Cuando el cerebro viviente entra al túnel del equipo de resonancia magnética, las leyes de la mecánica cuántica dictan el comportamiento de los protones del cerebro en el momento en que quedan inmersos en el campo magnético. Por las leyes físicas, cuando los protones sienten un campo magnético, su espín debe acatar con la dirección del magnetismo. En el momento en el que un cuerpo entra en el aparato de resonancia magnética, los protones dentro de las moléculas de agua del cerebro tienden a alinearse con el campo del imán. Pero otras fuerzas, como las ondas de radiofrecuencia, pueden interferir con la sincronización estos protones con el imán. Los protones apuntan hacia una nueva dirección, desalineándose. Esto es exactamente lo que la neuroimagenología hace: Los investigadores le piden al aparato que emita pulsos de radiofrecuencia hacia ubicaciones especificas dentro del cerebro, donde las interacciones entre los protones y el imán comienzan el proceso de producir imágenes cerebrales.

Una representación de cómo los aparatos de resonancia magnética toman provecho de las propiedades del espín de los protones para recolectar imágenes del cerebro. Ilustración por Huixuan Liang.

Dependiendo de donde se encuentre el protón, ya sea dentro de la materia gris, la materia blanca o el líquido cefalorraquídeo, su espín se interrumpe de una forma distintiva, lo cual causa que el regreso a su punto de partida sea diferente al de aquellos otros protones de los tejidos cerebrales adyacentes. Por ejemplo, los protones en el tejido neuronal regresarán a su espín inicial en un espacio de tiempo ligeramente diferente al de aquellos que se encuentran en la glía. El escáner toma en cuenta esta discrepancia y codifica eso como una señal. En los escaneos cerebrales, esta señal es transmitida a través de imágenes en blanco y negro. Aparecen señales monocromáticas: surge la historia de un cerebro con vida.

El pequeño y poderoso vóxel lleva a los investigadores desde una inspección visual general hasta unas medidas cerebrales más minuciosas, pero computacionalmente poderosas.

Pero esto solo es el principio y la construcción de la historia de un cerebro requiere mucho más trabajo. La estructura neural de un individuo es, sin duda, fascinante.  Sin embargo, los roles de la investigación requieren varios escaneos de varios individuos, con múltiples pruebas estadísticas aplicadas a cada escaneo. Volvamos a reintroducir al vóxel: Un acrónimo de las palabras “volumen” y “píxel,” el vóxel es una unidad tridimensional que incorpora las señales en los escaneos cerebrales.    Mientras el aparato de resonancia magnética escanea cada dimensión del cerebro milímetro por milímetro, los vóxeles se van creando para encapsular las señales que son producidas por las interacciones entre los protones y el imán. La imagen del cerebro escaneado está compuesta de un gran número de vóxeles, cada uno de los cuales lleva medidas indirectas de la densidad, forma o tamaño de las neuronas (o de la materia blanca). Quizás lo más sorprendente es que la cantidad de agua necesaria para producir estas medidas es pequeña en comparación con la cantidad de vóxeles creados por un solo escaneo.

Pero, ¿qué nos dicen los vóxeles sobre la estructura cerebral? Un vóxel por sí solo no tiene significado. Es cuando este pequeño cubo se compara con aquellos de diferentes individuos, que nos puede contar varias cosas: ¿Cómo cambia la materia gris a lo largo de la vida? ¿Tienen los conductores de taxi un hipocampo más grande que los conductores que no manejan taxi? (La respuesta: Tal vez sí.) Por medio de muchos cerebros, los vóxeles muestran patrones valiosos, y permiten a los investigadores proporcionar interpretaciones detalladas de sus preguntas científicas. El pequeño y poderoso vóxel lleva a los investigadores desde una inspección visual general hasta unas medidas cerebrales más minuciosas, pero computacionalmente poderosas.

Medir el cerebro vóxel por vóxel sería algo imposible. Es decir, el número tan abrumador de vóxeles en las imágenes cerebrales entre sujetos requiere que los científicos hagan uso de las computadoras para facilitar los análisis. Técnicas como la «morfometría basada en vóxeles» usan procesos de computación automatizados para transformar los vóxeles en unidades valiosas. Usando este método de neuroimagenología bien conocido, un vóxel pasa por un largo proceso:  Sus dimensiones se deforman para encajar en una plantilla cerebral estándar, sus componentes son clasificados por el tipo de tejido, y los bloques aún más pequeños dentro de los mismos vóxeles son calculados basándose en la composición de sus vecinos. Los resultados de este proceso toman horas o días, pero el mapa cerebral que surge al final no tiene precio.

Después de detectar las interacciones entre los protones en el cerebro y el imán del aparato de resonancia magnética, estas señales pueden ser procesadas para poder producir un mapa cerebral.  Ilustración por Huixuan Liang.

Hay veces en que los vóxeles pueden ser controversiales. Algunos estudios han argumentado que diferencias en la forma en que se analizan los vóxeles usando estos métodos computacionales pueden conducir a discrepancias en nuestro entendimiento de problemas fundamentales como la estructura de un cerebro con autismo. Los métodos de neuroimagenología basados en vóxeles a veces también son inadecuados en estudios donde la estructura del cerebro se ve alterada significativamente, como en el caso de lesiones causadas por accidentes cerebrovasculares, y donde se necesita modificar la metodología para hacer que los vóxeles sean útiles en un análisis de estos cerebros.

La pregunta de ¿de qué se compone el cerebro? en realidad no se puede responder a nivel celular por medio de las técnicas de neuroimagenología actuales. El vóxel sigue siendo una medida indirecta del tejido y las estructuras que la neurociencia quisiera entender. De cualquier manera, aquello que conocemos como un vóxel poco a poco nutre nuestra comprensión del cerebro.

Para aprender como Knowing Neurons percibe las contribuciones de la resonancia magnética a la investigación en neurociencia, vea aquí.

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Escrito por Gabrielle Torre
Ilustración por Jooyeun Lee
Traducido por Fernanda Lomeli

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Illustration by Jooyeun Lee

Referencias

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Autora

Gabrielle-Ann es una estudiante doctoral en la Universidad de Georgetown y estudia las bases neuronales de la lectura, el coeficiente intelectual y el estatus socioeconómico. Está muy interesada en el uso de métodos de neuroimagenología para hacer preguntas sobre las conductas y habilidades cognitivas humanas.  Anteriormente, ella estudió el enlace entre el comportamiento y el cerebro durante el envejecimiento saludable en la Universidad de Arizona, donde ella desarrolló su amor por la literatura y escritura creativa. A ella le gusta leer y escribir, además de la música en vivo, los estudios de género y comer.

Traductora

Fernanda Lomeli

Gabrielle Torre

Gabrielle-Ann is a PhD student at Georgetown University and studies the neural correlates of reading, IQ, and socioeconomic status. She is broadly interested in using neuroimaging methods to ask questions about human cognitive behaviors and abilities. Previously, she studied brain-behavior relationships in healthy aging at the University of Arizona, where she developed a love for literature and creative writing. She still enjoys reading and writing, as well as live music, gender studies, and eating.

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