La resonancia magnética funcional , IRM funcional o IRMf ( ing. Imagen de resonancia magnética funcional ) es un tipo de resonancia magnética , que se realiza para medir las reacciones hemodinámicas (cambios en el flujo sanguíneo) causadas por la actividad neuronal del cerebro o la médula espinal . Este método se basa en el hecho de que el flujo sanguíneo cerebral y la actividad neuronal están interconectados. Cuando un área del cerebro está activa, el flujo de sangre a esa área también aumenta [1] .
fMRI le permite determinar la activación de un área determinada del cerebro durante su funcionamiento normal bajo la influencia de varios factores físicos (por ejemplo, el movimiento del cuerpo) y bajo diversas condiciones patológicas.
Hoy en día es uno de los tipos de neuroimagen en desarrollo más activo . Desde principios de la década de 1990, la resonancia magnética funcional ha dominado el campo de las imágenes cerebrales debido a su invasividad relativamente baja, falta de exposición a la radiación y disponibilidad relativamente amplia.
A finales del siglo XIX, Angelo Mosso inventó el aparato de “balanza de la circulación humana”, que podía medir de forma no invasiva la redistribución de la sangre durante la actividad emocional e intelectual. Aunque el aparato fue mencionado en los escritos de William James , los detalles, el diseño exacto y los datos sobre los experimentos realizados permanecieron desconocidos durante mucho tiempo hasta el reciente descubrimiento del documento original y los informes de Mosso por parte de Stefan Sandro y sus colegas. [2] Los manuscritos de Mosso no proporcionan evidencia directa de que el "equilibrio" fuera realmente capaz de medir los cambios en el flujo sanguíneo cerebral como resultado de la actividad cognitiva, sin embargo, la réplica moderna del aparato, realizada por David Field [3] en la actualidad, utilizando técnicas modernas de procesamiento de señales, no disponibles para Mosso, se muestra que el dispositivo podría detectar cambios en el flujo sanguíneo cerebral como resultado de la actividad cognitiva.
En 1890, en la Universidad de Cambridge, Charles Roy y Charles Sherrington fueron los primeros en relacionar experimentalmente el funcionamiento del cerebro con el flujo sanguíneo. [4] El siguiente paso en el problema de cómo medir el flujo sanguíneo cerebral fue el descubrimiento de Linus Pauling y Charles Korel en 1936. El descubrimiento fue que la sangre rica en oxígeno con Hb era débilmente repelida por los campos magnéticos, mientras que la sangre sin oxígeno con dHb era atraída por los campos magnéticos, aunque menos que los materiales ferromagnéticos como el hierro. Seiji Ogawa de Bell Labs reconoció que esta propiedad podría usarse para mejorar la señal de resonancia magnética, ya que las diferentes propiedades magnéticas de dHb y Hb provocarían cambios marcados en la señal de resonancia magnética causados por el flujo de sangre a las áreas activadas del cerebro. BOLD (dependencia del nivel de oxígeno) es un contraste de resonancia magnética descubierto por Ogawa en 1990. En una investigación básica de 1990, basada en el trabajo de Tulborn et al., Ogawa y sus colegas estudiaron roedores expuestos a un fuerte campo magnético. Para controlar el nivel de oxígeno en la sangre, cambiaron el contenido de oxígeno en el aire que respiraban los animales. Tan pronto como cayó la proporción de oxígeno, apareció un mapa de flujo sanguíneo en la resonancia magnética. Probaron esto colocando tubos de sangre rica en oxígeno y sangre venosa y luego creando imágenes separadas. Para mostrar estos cambios en el flujo sanguíneo asociados con la actividad cerebral funcional, cambiaron la composición del aire que respiraban las ratas y lo vieron simultáneamente mientras monitoreaban la actividad cerebral en un EEG . [5]
El cerebro no está funcionalmente diseñado para almacenar glucosa, la principal fuente de energía. Sin embargo, para la activación de las neuronas y la acción de las bombas de iones, que determinan el funcionamiento normal del cerebro, se necesita energía de la glucosa. La energía de la glucosa proviene del torrente sanguíneo. Junto con la sangre, como resultado de la expansión de los vasos sanguíneos, también se transportan moléculas de hemoglobina que contienen oxígeno en los glóbulos rojos. El cambio en el flujo sanguíneo se localiza dentro de 2 o en el área de actividad neuronal. Por lo general, el aumento en la concentración de oxígeno es mayor que el oxígeno utilizado para quemar la glucosa (actualmente no se determina si toda la glucosa se oxida ), y esto conduce a una disminución general de la hemoglobina . En este caso, las propiedades magnéticas de la sangre cambian, impidiendo su magnetización, lo que posteriormente conduce a la creación de un proceso inducido por resonancia magnética. [6]
El flujo sanguíneo del cerebro depende de manera desigual del consumo de glucosa en diferentes áreas del cerebro. Los resultados preliminares muestran que algunas áreas del cerebro tienen más flujo sanguíneo del que sería apropiado para el consumo. Por ejemplo, en áreas como la amígdala , los ganglios basales , el tálamo y la corteza cingulada , que se reclutan para una respuesta rápida. En áreas que son más deliberativas, como los lóbulos parietal lateral, frontal y lateral, por el contrario, según las observaciones, se deduce que el flujo entrante es menor que el flujo. Esto afecta mucho a la sensibilidad. [7]
La hemoglobina difiere en cómo reacciona a los campos magnéticos, dependiendo de si se une a una molécula de oxígeno . La molécula de hemoglobina responde mejor a la acción de un campo magnético. En consecuencia, distorsiona el campo magnético que lo rodea, inducido por el escáner de resonancia magnética, lo que hace que los núcleos pierdan su magnetización más rápido durante la vida media . Por lo tanto, la señal de resonancia magnética es mejor en aquellas áreas del cerebro donde la sangre está muy saturada de oxígeno y menos donde no hay oxígeno. Este efecto aumenta con el cuadrado de la intensidad del campo magnético. Por lo tanto, la señal de fMRI necesita un fuerte campo magnético (1,5 T y más) y un tren de pulsos como un EPI que es sensible a la vida media. [ocho]
La respuesta fisiológica del flujo sanguíneo determina en gran medida la sensibilidad temporal, es decir, con qué precisión podemos medir el periodo de actividad de las neuronas y en qué momento están activas, marcando el BOLD ( Blood Oxygen Level Imaging) fMRI. La principal resolución paramétrica temporal es - FR, que dicta con qué frecuencia se excita una determinada parte del cerebro y pierde su magnetización. TRS puede variar de muy corto (500ms) a muy largo (3s). Para fMRI en particular, la respuesta hemodinámica dura más de 10 segundos, aumentando multiplicativamente con un pico de 4 a 6 segundos y luego cayendo multiplicativamente. Cambios en el sistema de flujo sanguíneo, sistema vascular, integración de respuestas de actividad neuronal a lo largo del tiempo. Dado que esta respuesta es una función continua suave, el muestreo. De todos modos, se pueden obtener más puntos en la curva de respuesta mediante interpolación lineal simple. Los paradigmas experimentales pueden mejorar la resolución temporal pero reducirán el número de puntos de datos efectivos obtenidos experimentalmente. [9]
El cambio en la señal de RM de la actividad neuronal se denomina respuesta hemodinámica (HO). Puede retrasar eventos neuronales de 1 a 2 segundos, debido al hecho de que el sistema vascular reacciona el tiempo suficiente a la necesidad de glucosa del cerebro . A partir de este momento, suele alcanzar su punto máximo unos 5 segundos después de la estimulación (en este caso, nos referimos a la incorporación de glucosa). Si las neuronas continúan activas a partir de un estímulo continuo, el pico se extiende hasta una meseta plana mientras las neuronas permanecen activas. Después de que se detiene la actividad del ZUKV, la señal cae por debajo del nivel inicial, la línea de base, que se denomina "desviación del nominal". Con el tiempo, la señal se restaura al nivel base. Existe alguna evidencia de que las demandas metabólicas continuas en un área del cerebro contribuyen a la reducción de potencia. [cuatro]
El mecanismo por el cual el sistema nervioso retroalimenta al sistema vascular requiere más glucosa, incluida algo que se libera del glutamato como parte de la activación neuronal. El glutamato afecta a las células de soporte más cercanas, los astrocitos , provocando un cambio en la concentración de iones de calcio . Esto a su vez libera óxido nítrico en el punto de contacto entre los astrocitos y los vasos sanguíneos medios, las arteriolas . El óxido nítrico es un vasodilatador , lo que hace que las arteriolas se dilaten y atraigan más sangre hacia ellas. [5]
La respuesta de un vóxel durante un período de tiempo se llama curso de tiempo. Como regla general, la señal no deseada, llamada ruido, del escáner, actividad errática, interferencia y elementos similares es proporcional al valor de la señal útil. Para eliminar estos ruidos, los estudios de fMRI se repiten varias veces. [diez]
La resolución espacial de un estudio de resonancia magnética funcional se define como la capacidad del equipo para distinguir entre los límites del cerebro y las ubicaciones cercanas. Se mide en tamaño de vóxel , como en la resonancia magnética . Un vóxel es una caja rectangular tridimensional cuyas dimensiones están determinadas por el grosor del corte, el área del corte y las cuadrículas superpuestas en el corte mediante escaneo. Las imágenes cerebrales completas usan vóxeles más grandes, mientras que las especializadas en regiones específicas de interés tienden a usar tamaños más pequeños. Los tamaños varían de 4-5 mm a 1 mm. Por lo tanto, los tamaños de los vóxeles dependen directamente del área de medición. Sin embargo, el tiempo de exploración aumenta directamente con el aumento del número de vóxeles según el segmento y el número de segmentos. Esto puede ocasionar molestias para el sujeto dentro del escáner y pérdida de magnetización de la señal . Los vóxeles suelen contener varios millones de neuronas cada uno y decenas de miles de millones de sinapsis . [once]
El sistema arterial vascular , que suministra sangre oxigenada fresca, se ramifica en vasos cada vez más pequeños que ingresan a las regiones superficiales del cerebro y sus estructuras internas. La culminación es la conexión de los capilares dentro del cerebro. Los sistemas de drenaje, de la misma manera, se fusionan en venas cada vez más grandes que se llevan la sangre pobre en oxígeno. La hemoglobina contribuye a la señal de fMRI de ambos capilares cerca del área de actividad de las venas grandes y de drenaje. Para una buena resolución espacial, la señal de las venas grandes debe suprimirse, ya que no corresponde al área del sitio de actividad neuronal Esto se puede lograr mediante el uso de un fuerte campo magnético de CC o mediante el uso de un tren de pulsos de eco de espín. Junto con esto, la resonancia magnética funcional puede explorar el rango espacial de milímetros a centímetros y, por lo tanto, puede identificar áreas de Brodmann (centímetros), núcleos subcorticales como el caudado, putamen y tálamo , hipocampo como la circunvolución dentada combinada/CA3, CA1 y subículo . [3]
La resolución temporal es el período de tiempo más pequeño de actividad neuronal que se puede determinar con alta precisión utilizando fMRI.
La resolución temporal depende de la capacidad del cerebro para procesar datos durante un tiempo determinado, estando en diferentes situaciones. Por ejemplo, un sistema de procesamiento visual se especifica en una amplia gama. Lo que ve el ojo se registra en los fotorreceptores de la retina en milisegundos. Estas señales llegan a la corteza visual primaria a través del tálamo en decenas de milisegundos. La actividad de las neuronas asociadas al acto de ver dura poco más de 100 ms. Las reacciones rápidas, como un giro brusco para evitar un choque, tardan unos 200 ms. La reacción ocurre aproximadamente en la segunda mitad de la toma de conciencia y comprensión de lo sucedido. Recordar tal evento puede tomar algunos segundos, y los cambios emocionales o fisiológicos, como el miedo, la excitación, pueden durar minutos u horas. Los eventos de reconocimiento facial pueden durar días, meses o años. La mayoría de los estudios fmri de los procesos cerebrales duran unos pocos segundos, y los estudios se llevan a cabo durante varias decenas de minutos. Un cambio en el estado psicoemocional puede cambiar el comportamiento del sujeto y sus procesos cognitivos. [9]
Cuando una persona realiza dos tareas al mismo tiempo, se espera que la respuesta VUK se sume linealmente. Esta es la suposición fundamental de muchos estudios de fmri. La suma lineal significa escalar por separado cada proceso de interés y luego sumarlos. Dado que el escalado es simplemente una multiplicación por un número constante, esto significa que un evento que se dispara, digamos, dos veces en las respuestas neuronales se puede modelar como un evento determinado que se presenta dos veces al mismo tiempo. [2]
| Métodos de imágenes médicas | |
|---|---|
| radiografía |
|
| Resonancia magnetica | |
| radionucleido | |
| Óptica (láser) | |
| Ultrasónico |
|
| Endoscópico | |