Los programas médicos de televisión a veces representan pensamientos saltando por el cerebro como potenciales de acción que se encienden como estrellas en explosión. Si bien parece dramático e impresionante, las tecnologías de imágenes cerebrales actuales no pueden visualizar la actividad cerebral con tanta sensibilidad. Sin embargo, una nueva técnica de imágenes por resonancia magnética (IRM) llamada DIANA (imágenes directas de la actividad neuronal) puede acercarnos más.

Una alternativa a BOLD fMRI

Una señal cerebral comienza con un potencial de acción causado por cambios rápidos en el voltaje a través de las membranas celulares. Los investigadores involucrados en este estudio de prueba de concepto, informado en Ciencia:, dicen que DIANA podría medir esta actividad neuronal capturando el voltaje intracelular de un grupo de neuronas.

La técnica podría llenar un vacío en las imágenes cerebrales. La resonancia magnética funcional (fMRI), por ejemplo, nos permite ver la actividad neuronal en el cerebro de forma no invasiva al medir un sustituto: fluctuaciones en la señal dependiente del nivel de oxigenación de la sangre (BOLD) que resultan de cambios en la actividad neuronal. Pero la especificidad temporal de la resonancia magnética funcional es demasiado lenta (del orden de 100 ms) para seguir la activación de las neuronas durante los procesos cognitivos. Las alternativas como la electroencefalografía (EEG) y la magnetoencefalografía (MEG) tienen una resolución temporal más alta, pero una resolución espacial limitada al rango de centímetros.

DIANA puede lograr resoluciones temporales y espaciales del orden de los procesos cognitivos (5 ms y 0.22 mm, respectivamente) al aislar grupos de señales neuronales con un esquema de adquisición de datos distinto, explica el autor principal Parque Jang Yeon.

Park, profesor de ingeniería biomédica en Universidad de Sungkyunkwan en Corea, se inspiró en un estudio en Nature Methods que describía cómo se pueden dividir los datos para adquirir imágenes en partes para BOLD fMRI. Después de reflexionar sobre la teoría, Park dice que se dio cuenta de que el método podría adoptarse para la resonancia magnética de ultra alta resolución temporal.

Adquisición de imágenes en piezas

Los datos de las señales de RM se almacenan en un espacio de imagen temporal llamado k-espacio. La información sobre el contraste de la imagen se mantiene en el centro de k-espacio, que contiene información de baja frecuencia espacial, mientras que los detalles de la imagen se mantienen en los bordes de alta frecuencia espacial de k-espacio. En el transcurso de una resonancia magnética, k-el espacio está lleno. Al final de un escaneo, k-el espacio está lleno y los datos se reconstruyen para producir una imagen.

La forma más común de llenar k-espacio es adquirir datos línea por línea y recopilar una serie de imágenes completas para seguir una señal a través del tiempo y el espacio. DIANA, por otro lado, recopila una serie de imágenes parciales utilizando un enfoque de escaneo de línea rápido en 2D. Aquí, líneas individuales de k-el espacio se adquiere repetidamente entre los intervalos de un estimulo repetido, y diferentes k-las lineas espaciales se adquieren en diferentes periodos de estimulo. De esta manera, cada período de estímulo agrega una línea de k-espacio para todas las imágenes de series temporales dentro del período.

DIANA no requiere agentes de contraste ni equipo nuevo. La activación neural se puede visualizar en un escáner de campo ultraalto utilizando una secuencia de imágenes de eco de gradiente 2D convencional con un tiempo de eco corto y un tiempo de repetición corto en un esquema de adquisición de exploración lineal.

Para producir potenciales de acción neuronal repetibles, los investigadores movieron repetidamente los bigotes de los ratones anestesiados, una técnica común en los estudios de imágenes cerebrales. Observaron que, en respuesta al estímulo, las neuronas en la corteza somatosensorial del ratón se activaron después de que se activaran regiones profundas, como el tálamo. Los investigadores dicen que obtener imágenes de este nivel de actividad neuronal podría ayudarnos a comprender la comunicación entre las áreas del cerebro en el futuro.

"Si funciona en el cuerpo humano, puede cambiar las reglas del juego para la neurociencia, porque si detectamos la neuroactivación directamente con una alta resolución temporal y espacial, entonces creo que realmente podemos comenzar a ver la red cerebral como una red neuronal en tiempo y espacio”, dice Park. "Usando BOLD fMRI... es muy difícil observar la red neuronal dinámica y también es difícil explorar la conectividad funcional jerárquica en la red neuronal".

T2 al futuro

La fuente biofísica de la señal de DIANA no está clara, pero los investigadores creen que tienen una hipótesis sólida respaldada por experimentos y simulaciones adicionales: que los cambios en el potencial de la membrana neuronal se reflejan en una correlación positiva con el tiempo de relajación transversal (T2) de la Señal de resonancia magnética, que determina qué tan rápido desaparece la señal de resonancia magnética.

Estas señales de activación neuronal no se han observado en los experimentos BOLD fMRI porque capturan respuestas hemodinámicas del orden de varios segundos en lugar de milisegundos, explica Park.

Sin embargo, él y su grupo todavía se inspiran en los experimentos de fMRI, ya que miran hacia el trabajo futuro. BOLD fMRI mide la señal en ausencia de estímulo mediante técnicas de estado de reposo, y la sensibilidad aumenta mediante el procesamiento de datos mediante una función de respuesta neuronal. El equipo espera desarrollar técnicas análogas para DIANA.

La técnica de ultrasonido captura imágenes a escala micrométrica de la actividad cerebral

Park dice que su grupo de investigación está utilizando DIANA para estudiar redes neuronales visuales en ratones y cómo cambia la red neuronal en modelos animales de enfermedades neurodegenerativas. También están traduciendo la técnica para su uso en estudios humanos, donde los artefactos de movimiento y la variabilidad de prueba por prueba pueden ser frecuentes y los patrones de activación pueden abarcar múltiples escalas de tiempo.

“Los neurocientíficos y las personas que trabajan en estudios de neuroimagen quieren entender el cerebro y cómo funciona”, dice Park. "Creo que si entendemos la red neuronal dinámica real, también podemos comenzar a comprender cómo funciona el cerebro".

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/high-resolution-mri-enables-direct-imaging-of-neuronal-activity/