Introducción a la Resonancia Magnética Funcional Cerebral

Rafael Rojas, MD
Boston, MA, USA
Introducción a la Resonancia Magnética
Funcional Cerebral.
INTRODUCCIÓN
El término “fMRI” por sus siglas en ingles functional Magnetic Resonance, implica
que, la información que se puede obtener de una zona cerebral específica ya no
es sólo anatómica o estructural, sino funcional, biológica y metabólica. Es a partir
de los primeros años 90 cuando se inicia el uso de la resonancia magnética como
un método para obtener imágenes funcionales del cerebro. La amplia aceptación
que ha tenido la fMRI, se debe a que tiene una resolución temporal y espacial
superiores a otras técnicas de imagen y no es invasiva.
En general se puede considerar que hay 4 modalidades de resonancia
magnética con las que puede obtener información funcional del cerebro, estas
son:
-
De Oxigenación-Nivel-Dependiente (OND) o secuencias BOLD por sus
siglas en inglés Blood Oxigenation Level Dependent.
Técnicas de Difusión (mapas de difusión,
tensores de difusión y
tractografía por difusión).
Técnicas de Perfusión (se pueden realizar con uso de contraste exógeno o
contraste endógeno). Activación
EspectroscopíaEn la actualidad, algunos autores integran a la
espectroscopía como una secuencia funcional, la que ofrece información de
tipo metabólico y del desplazamiento químico de las moléculas.
fMRI CON TÉCNICA BOLD
La técnica conocida como BOLD o de Oxigenación-Nivel-Dependiente (OND).
Esta es una de las más recientes tecnologías en el campo de la Neuroradiología
y que también ha sido adoptada por otros grupos multidisciplinarios, en la que
participan neurocientíficos, neurólogos, neurocirujanos, psiquiatras, psicólogos,
físicos, matemáticos y desde luego radiólogos. Este capítulo intenta presentar los
principios básicos y las principales aplicaciones de la técnica BOLD en la clínica,
además de las ventajas y limitaciones de esta tecnología. En la última década
la técnica BOLD se ha convertido en una de las más promisorias herramientas
para identificar cambios y mapear la respuesta neurofisiológica ante estímulos
sensoriales, motores y cognitivos.
Las bases de la fMRI utilizando secuencias BOLD se sustentan en la detección
de los cambios locales que suceden en la oxigenación y el flujo sanguíneo
cerebral, en respuesta a la actividad neuronal.
El cerebro es un órgano complejo, que en condiciones fisiológicas normales
continuamente está reaccionando a impulsos o señales internas y externas; se
sabe que cuando el cerebro se activa o trabaja, ocurren cambios locales en el
flujo sanguíneo regional en aéreas especificas del cerebro de acuerdo a la tarea
o actividad que se esté realizando, para que estos cambios se lleven a cabo el
cerebro consume más oxígeno; para satisfacer este aumento de la demanda de
oxigeno aumenta el flujo sanguíneo a la zona activada localmente, adicionalmente
hay que considerar el fenómeno descrito en el año de 1990 por Ogawa (1,2,3), y
colaboradores, que hace referencia a las propiedades magnéticas de la Oxihemoglobina (oxy-Hb) y de la Deoxi-hemoglobina (deoxy-Hb), como elementos
necesarios para generar contraste.
La Deoxi-Hb al ser un sustancia paramagnética, genera cambios locales en la
homogeneidad del campo magnético, los cuales pueden detectarse y medirse por
resonancia magnética, se sabe que el efecto paramagnético de la deoxy-Hb
disminuye la susceptibilidad magnética en T2*, mientras que le oxy-Hb al ser una
sustancia diamagnética no interfiere con el campo magnético externo (4). La
actividad neuronal en una zona especifica del cerebro aumenta el consumo local
de oxigeno, lo que produce inicialmente diminución de la oxy-Hb e incremento de
la deoxy-Hb en la zona funcional o activada. También se sabe que estos
cambios no ocurren en las neuronas per se, estos cambios hemodinámicas se
dan en el lecho vascular capilar y las venas de drenaje con cambios locales
relacionados al flujo y volumen sanguíneo cerebral relativos a lo que se conoce
como flujo sanguíneo cerebral relativo o (rCBF) por sus siglas en ingles relative
Cerebral Blood Flow y volumen cerebral relativo o (rCBV) por sus siglas en ingles
relative Cerebral Blood Volume. Los cambios de actividad cerebral local persisten
por algunos segundos, aproximadamente 6 segundos, lo que en parte es una de
las limitaciones de resolución temporal de la secuencia BOLD, posteriormente la
deoxy-Hb se lava o se mezcla en el flujo sanguíneo, lo que se refleja como
disminución de la señal local y se genera la señal BOLD en T2*, a este
mecanismo también se le ha llamado acoplamiento neuro-vascular, existen
numerosas teorías y posibles mecanismos relacionados a este fenómeno que
debido a su complejidad y extensión escapan a los objetivos de este capítulo, en
términos generales se puede decir que la sangre altamente oxigenada muestra
mayor señal magnética y la desoxigenada menor señal magnética.
La técnica OND o BOLD tiene cuatro componentes:
1) Diseño de la prueba cognitiva o de conducta (paradigma o protocolo de diseño
en bloques y protocolos relacionados a eventos).
2) Adquisición de la información.
3) Post-Procesamiento de la imagen.
4) Análisis estadístico de la información con formación de mapas funcionales.
Existen diferentes diseños de pruebas funcionales, a los que se les llama
paradigmas o protocolos, el objetivo de la prueba es que se obtenga una señal
“funcional” por tiempo suficiente para obtener una medida estadísticamente
confiable, a este tipo de prueba se le conoce como de diseño en bloque (en
inglés box-car), para su realización requiere de la alternancia dos tipos de
tareas que se les conoce como de activación y control. Una condición es que el
tiempo para cada una de las tareas debe ser el mismo, generalmente es de 20 o
30 segundos, las imágenes se adquieren en volúmenes para cada tarea, lo
normal es obtener de 6 a 8 estimaciones o volúmenes, posteriormente se realiza
el análisis computacional y la delimitación de las aéreas funcionales con métodos
de sustracción, restando las señales de activación obtenidas en la tarea de
control a las obtenidas en la tarea de activación, como resultado se obtiene un
mapa diferencial comparando las tareas de activación contra las imágenes de
control (5).
Las pruebas funcionales relacionadas a eventos o conocidas en inglés event
related, hacen referencia a procesos cerebrales asociados con eventos muy
discretos, de menor señal o bien cortos en cuanto a duración, del orden de
milisegundos que pueden ocurrir en cualquier punto de la sesión de exploración y
que son difíciles de detectar, sin embargo, utilizando periodos de estimulación
larga de aproximadamente 12 a 20 segundos de intervalo o estímulos cortos de
propagación muy rápida a lo que se le llama en inglés “Jittered intervals”, se
pueden obtener señales de activación cerebral, el análisis de las imágenes se
ajusta por detección de señal óptima, utilizando el modelo de respuesta BOLD,
posteriormente de forma empírica o matemática
se
define la función
hemodinámica, este tipo de análisis resulta atractivo ya que permite conocer con
detalle cuando ocurrió el evento de activación, aunque en general el resultado es
estadísticamente inferior al de diseño en bloque (6).
El diseño del paradigma funcional dependerá del objetivo de la prueba, en
términos generales existen pruebas para detectar aéreas de actividad motora,
visual, auditiva, olfatoria, lenguaje y pruebas más complejas como las cognitivas
en las que se trata de obtener información de funciones mentales superiores,
como memoria, abstracción y cálculo mental, en la que intervienen múltiples
circuitos neuronales, las pruebas cognitivas en general son más difíciles de
estudiar y analizar. En la actualidad se puede realizar una exploración completa
de diseño en bloques tipo BOLD para abordaje pre-quirúrgico e identificar aéreas
motoras, visuales y aéreas del lenguaje en aproximadamente una hora; es
importante mencionar que se requiere de las herramientas necesarias para la
realización de estudios funcionales de resonancia magnética, como son sistema
de proyección de imágenes, audio y video, para presentación de estímulos
visuales y auditivos.
Las secuencias BOLD se obtienen con técnicas de adquisición tipo eco-planar o
sus siglas en inglés Echo Planar Imaging, secuencias de eco gradiente o
secuencias espín eco. Las secuencias que más frecuentemente se utilizan son
eco-gradiente y eco-planar, se recomienda que el magneto sea de por lo menos
1.5 Tesla para obtener una adecuada señal, actualmente ya se cuenta con
magnetos comerciales de 3 Tesla que mejoran o amplifican hasta 4 veces la
señal en comparación con los sistemas de 1.5 Tesla. Para la adquisición de
imágenes de resonancia magnética funcional se requiere que el magneto genere
secuencias de pulso muy rápidas tipo eco planar o EPI, o secuencias de tipo
espiral. Las secuencias de adquisición rápida que se requieren para la
resonancia magnética funcional se basan en la forma en que se codifican las
imágenes en el espacio conocido como K, que representa valores numéricos y
que se traspolan a una escala de grises, estos valores numéricos constituyen las
propiedades de la imagen, el espacio K es en donde depositamos las señales de
resonancia magnética de manera digital y que tienen una relación matemática con
la imagen, la cual se puede manipular mediante la transformada de Fourier, es
necesario llenar el espacio K línea por línea para crear una imagen adecuada y
completa, existen diferentes secuencias para este propósito como las secuencias
de eco espín, eco planar y espirales. El magneto debe de contar con
amplificadores de gradiente con la capacidad de producir amplitudes de onda de
subida muy rápida a lo que se le conoce como “slew rate”, la eficacia de los
gradientes se mide en mili-Tesla por metro por segundo (mT/m/msec), esta
fórmula hace referencia a la tasa de velocidad de ascenso o descenso de la
señal
y amplitud de onda
de radiofrecuencia,
que está
relacionada
directamente con la fuerza del gradiente aplicado, medido de cero a su máxima
amplitud, normalmente se utiliza una amplitud de onda entre 23 a 77 mili-Tesla,
con espigas o picos de “slew rate” que oscilan entre 120 a 200 mili-Tesla, cuanto
más corto o más rápido sea el tiempo de subida se obtendrá una mejor resolución
y más rebanadas por tiempo de repetición o TR, lo cual permite explorar el
cerebro completo incluyendo la fosa posterior, algunos magnetos utilizan tasas de
subida o “slew rate” más altos, sin embargo hay que considerar que se puede
incrementar la tasa de absorción especifica o SAR por sus siglas en inglés
Specific Absorption Rate, la que se define como la potencia absorbida por unidad
de masa de un objeto, la cual se mide en watts por kilogramo (w/kg), la tasa de
absorción especifica indica el potencial de calentamiento de los tejidos del
paciente debido a la aplicación de la energía de radiofrecuencia necesaria para
producir la señal de resonancia magnética.
Una vez obtenías las imágenes funcionales, estas a su vez tienen que ser postprocesadas; existen diferentes programas de cómputo o “software” para el postprocesamiento de las imágenes, los hay tanto de dominio público que son de
acceso en línea por internet y gratuitos, o programas comerciales que pueden
llegar a ser muy costosos. Lo principal que se tiene que tomar en cuenta es que el
programa de post-procesamiento debe de ofrecer al menos estas características:
Alineación de las imágenes.
Corrección de movimiento.
Corrección espacial y temporal (a lo que se le conoce como smoothing).
Pruebas de análisis estadístico.
Herramientas para co-registro (presentación de mapas de activación sobre
imágenes anatómicas).
Capacidad de exportar imágenes en sistemas digitales de archivo conocidos
como PACS por sus siglas en inglés Picture Archiving and Communications
System y estándar DICOM por sus siglas en inglés DICOM, Digital Imaging
and Communication in Medicine.
La compleja anatomía de la corteza cerebral, relacionada a la abundancia de
giros y surcos, produce disminución de la señal, reduciendo el poder de
discriminación espacial, de ahí que en el análisis de la activación cerebral sea
imprescindible el co-registro de estos mapas con imágenes estructurales de alta
resolución que se comparan por lo general con coordenadas estandarizadas de
de mapas anatómicos como los de Talairach. Las aéreas activadas se presentan
sobrepuestas a imágenes T1 o de tipo eco-gradiente de alta resolución que
finalmente representa un mapa
estadístico a color de la zona de actividad así como del acoplamiento entre el
metabolismo energético y el flujo sanguíneo en el cerebro.
Aplicaciones clínicas de la fMRI con técnica BOLD
A la fecha, la técnica BOLD se ha aplicado en el estudio de las áreas primarias
como la sensorimotora, la visual o la del lenguaje. También utiliza en el estudio de
la memoria y de algunos trastornos neuropsiquiátrico. Igualmente, se ha
acumulado experiencia en el mapeo pre-quirúrgico de áreas corticales primarias,
como las sensorimotoras, con relación a lesiones tumorales subyacentes. En el
futuro, se espera que esta técnica tenga múltiples aplicaciones clínicas, como lo
es el reconocimiento de la lateralización del lenguaje, lo que podrá complementar
o sustituir a pruebas funcionales que son más invasivas coma la prueba de Amytal
también conocida como prueba de Wada, en la definición de las áreas del
lenguaje y de la dominancia cerebral (7).
A partir de Enero del año 2007, las compañías aseguradoras en los Estados
Unidos permiten el re-embolso de estudios de resonancia funcional cerebral con
técnica BOLD para el abordaje y manejo integral de pacientes con lesiones
cerebrales tumorales y epilepsia, lo que ha producido un aumento considerable
en el número de estudios realizados, los cuales anteriormente solo se realizaban
únicamente como protocolos
de
investigación. Una de las principales
aplicaciones clínicas de esta técnica es que permite la localización no invasiva de
corteza elocuente en estos pacientes y preservar estas aéreas durante los
procedimientos neuro-quirúrgicos, esta información no está disponible solo
realizando estudios convencionales de resonancia magnética, por lo que cada vez
es más importante realizar un estudio funcional como parte del protocolo prequirúrgico y que en algunos centros ya se considera un práctica común y regular
en el manejo de estos enfermos; en un futuro cercano mas médicos y grupos de
salud dedicados a estos padecimientos requerirán de la información funcional.
Como un principio básico, los estudios de resonancia funcional deben ser
realizados, evaluados e interpretados por personal capacitado y entrenado. Otras
áreas clínicas que en la actualidad cobran importancia son la Neuronavegación
funcional con imágenes y reconstrucciones en 3 dimensiones, suma de
tecnologías como la combinación de fMRI, electroencefalografía/magnetoencefalografía (fMRI/EEG/MEG) y difusión con tractografía DTI/fMRI. Por último
otro concepto clínico y de investigación es la resonancia magnética farmacológica
a la que se la ha denominado phMRI por sus siglas en inglés pharmacological
magnetic resonance, que brinda información acerca de la farmacodinamia de
neurotransmisores, fármacos y drogas y como se asocian a múltiples trastornos
como
alteraciones
psiquiátrica,
neuroendocrinas,
variación
genética,
envejecimiento entre otros, actualmente se pueden identificar aéreas de activación
que responden a ciertas drogas, como ha sido demostrado para pacientes adictos
a la cocaína, los cuales tienen mayor activación en el núcleo acumbens, esta
misma metodología se ha utilizado con otras drogas y de esta manera conocer
más acerca de la farmacodinamia de ciertas sustancias.
Las limitaciones de esta tecnología estriban en que al igual que otras técnicas
de imagen no está libre de artefactos que pueden resultar en errores diagnósticos
ya sea por causas fisiológicas o bien errores técnicos, ejemplos de esto son,
artificios debidos a baja señal ruido, ausencia de señal BOLD, fenómenos de
drenaje venoso y a flujo cerebral, artificios por movimiento involuntario o falta de
cooperación del paciente, en muchas ocasiones se realiza el estudio aunque el
paciente este impedido de mover la mano para tratar de visualizar las áreas
motoras o bien realizar un estudio del lenguaje en un paciente con afasia, estos
son tan solo algunos de los retos o problemas que se tienen que resolver, por lo
general se pueden realizar los estudios si el paciente trata o por lo menos
intenta realizar la tarea o protocolo funcional lo que permite comparar la señal
de activación del lado sano con el afectado.
Anteriormente el acceso a esta tecnología era muy limitado y de alto costo,
inicialmente solo utilizada en investigación, sin embargo en los últimos diez años
la resonancia magnética funcional ha tenido grandes avances y aceptación
clínica.
Bibliografía
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