La actividad del cerebro cambia cuando éste participa en la resolución de problemas, requiriendo la región activa más oxígeno y aumentando por ello el flujo sanguíneo a esas regiones. Sabiendo esto, los métodos computerizados modernos nos posibilitan la observación de la actividad cerebral tanto para estudio como diagnóstico de lesiones. Hay dos tipos principales de estudio: mediante técnicas electrofisiológicas y vía técnicas de neuroimagen.
TÉCNICAS ELECTROFISIOLÓGICAS
Como la actividad de las células nerviosas tiene una base electroquímica, puede ser registrada con instrumentos sensibles a los pequeños cambios de la actividad eléctrica. En base a esto, las principales técnicas de registro son el registro de célula única, el registro electroencefalográfico (EEG) y el registro de potenciales evocados (PE). El registro de célula única ofrece info sobre lo que está haciendo una neurona en un momento dado pero tiene una mínima capacidad de generalización; el EEG informa sobre la función del cerebro en su totalidad pero aporta pocos datos sobre la actividad de neuronas aisladas y los potenciales evocados serían un término medio, pues tienen una resolución mayor que el primero pero mayor que la del segundo. Las tres son muy útiles, pero el registro de célula única solo se realiza en animales.
Registro de célula única: insertamos un electrodo directamente en el cerebro de un animal adyacente a una neurona única para después registrar la actividad eléctrica de la neurona en un ordenador. La necesidad de colocar electrodos directamente en el tejido cerebral dificulta la participación de sujetos humanos en esta clase de estudios.
Aunque inicialmente el registro se hacía célula a célula, hoy en día las técnicas de multiunidades permiten insertar hasta 50 alambres finos en una región cerebral para registrar muchas neuronas simultaneamente. Además, se han desarrollado técnicas que permiten identificar neuronas específicas y poder seguir su actividad durante períodos prolongados.
Los gráficos de célula única se representan en segundos.
Los potenciales de acción constituyen la corriente con la cual opera el cerebro, representando imágenes, sonidos, olores, gustos, sensaciones, deseos y emociones (aunque todavía no sabemos el cómo el mismo potencial puede representar en una neurona una imagen y en otra un sonido). En otras palabras, en los organismos complejos los patrones de actividad de las neuronas producen comportamientos representaciones y percepciones que asociamos con estar conscientes.
Las neuronas codifican la información de varias formas, usando códigos temporales (emite durante toda la duración del evento) o de sucesos (emite al comenzar y al terminar el acontecimiento). Esto se ve apoyado tanto por la anatomía cerebral como por los resultados de estudios de registro de células única.
En general, las neuronas corticales disparan con un nivel relativamente bajo ( >3 descargas/minuto), mas puede aumentar hasta las 10 descargas por minuto con la activación. Otra opción es que el estímulo provoque una inhibición de la actividad neural.
La mayoría de las neuronas tiene un repertorio conductual limitado, respondiendo solo a un tipo de fenómeno o de conducta sensorial.
Las conductas bien aprendidas parecen ser codificadas por una actividad cortical relativamente escasa, mas las recién adquiridas se asocian a una excitabilidad mucho más difusa en la corteza.
Registro electroencefalográfico: colocando electrodos desde un voltímetro sobre el cráneo, podemos registrar la actividad eléctrica de grandes regiones del encéfalo humano. Estos registros han demostrado ser útiles para el estudio del sueño, la profundidad de la anestesia, diagnosticar epilepsia y daño encefálico y estudiar la función cerebral normal.
En una disposición típica de EEG, un electrodo (electrodo activo) se fija al cuero cabelludo para detectar la actividad eléctrica de las neuronas en el área cerebral subyacente, y un segundo electrodo (electrodo indiferente) en el lóbulo de la oreja, lugar carente de actividad eléctrica que se pueda detectar. Se requieren al menos dos porque el EEG registra la diferencia de los potenciales eléctricos detectada por los electrodos (de ahí que el segundo se coloque en una zona carente de energía eléctrica). Pese a ser pequeñas, las fluctuaciones eléctricas se pueden reproducir en un osciloscopio y trasladarse al papel mediante una impresora con tal de amplificarlas.
Cuando los electrodos colocados sobre el cuero cabelludo registran la actividad eléctrica del cerebro, en realidad están sumando los potenciales graduados de muchos miles de neuronas subyacentes.
El ritmo de las células puede fluctuar con la frecuencia cardíaca o la respiracíon, procesos que aportan oxígeno y glucosa a las células e influyen en la actividad cerebral.
El EEG permite el diagnóstico de la epilepsia gracias a que los diferentes tipos de epilepsia se asocian con ritmos eléctricos anormales.
También funciona para el estudio de las funciones cognitivas registrando diferentes canales de info del EEG y comparar las amplitudes y frecuencias del EEG de diferentes canales.
Potenciales evocados: se tratan de cambios breves en una señal EEG como respuesta a un estímulo sensitivo. Dado que un PE de interés está mezclado con tantas otras señales eléctricas en el cerebro que es imposible detectarlo únicamente con la inspección del EEG, una forma de conseguirlo es producir el estímulo repetidas veces y realizar el promedio de las respuestas registradas.
Pueden utilizarse para estudiar la función normal de la vía a través de la cual pasa la señal, la función normal de los núcleos que toman parte en el procesamiento de la señal y los procesos cognitivos en la neocorteza que se emplean para discriminar la señal y analizarla. Los PE pueden poner de manifiesto cambios eléctricos asociados con la planificación y la ejecución de movimientos.
Magnetoencefalografía: la actividad neural, al generar un campo eléctrico, también produce un campo magnético. Pese a lo reducido que es este campo para una sola neurona, el generado por muchas es lo suficientemente amplio para registrarse sobre el cráneo. Este registro se llama magnetoencefalograma (MEG).
Proporciona descripciones de la actividad eléctrica de las neuronas, y permite una localización tridimensional de los grupos celulares que generan el campo magnético, de ahí que sea más útil que el PE o que el EEG para identificar el origen de la actividad que ha de registrarse.
Para llevar a cabo el MEG necesitamos un dispositivo sensor que contiene los espirales superconductores especiales necesarios para detectar los débiles campos magnéticos del cerebro.
La desventaja del MEG es su elevado coste.
Estimulación magnética transcraneal (EMT): Mediante estimulación eléctrica cerebral podían suscitarse movimientos o sensaciones en los sujetos. Incialmente estas técnicas sólo podían utilizarse en el curso de una intervención quirúrgica, mas ahora también pueden ser usadas a través del cráneo mediante una pequeña espina que estimula las neuronas de las regiones cerebrales que se encuentran directamente debajo de la espiral. Este método es inofensivo al sujeto.
Ha demostrado que el cerebro difiere sustancialmente de un individuo a otro en el tamaño de las áreas del neocórtex dedicadas a diferentes funciones.
También se ha descubierto que su uso permite analizar tanto las diferencias individuales en la organización de la corteza como las diferencias resultantes de la experiencia de una persona.
La Tomografía Computerizada (TC) fue trascendental por cambiar la práctica de la neurología al proporcionar una forma de estudiar el interior del cráneo sin dañar al paciente y por inspirar a científicos a usar estrategias matemáticas y computerizadas inteligentes a fin de desarrollar otros tipos de reconstrucción de imágenes.
Tomografía por emisión de positrones (PET): inyectamos una pequeña cantidad de agua con moléculas radiactivas en el torrente sanguíneo del paciente (también podemos usar un gas) y lo introducimos en una cámara con un conjunto de detectores de radicación dispuestos a modo de anillo alrededor de su cabeza. Un ordenador reconstruye las variaciones en la densidad del flujo de partículas provenientes de diferentes localizaciones para producir una imagen de un corte del cerebro. Al moverse por el flujo sanguíneo, las variaciones en la imagen representarán las áreas con diferentes flujos sanguíneos.
Para conocer la relación entre flujo sanguíneo y actividad mental, los investigadores toman el patrón de flujo sanguíneo registrado cuando el sujeto participa en una tarea experimental y le restan el patrón de cuando el cerebro se encuentra en un estado de control. Esta sustracción proporciona una imagen del cambio del flujo de un estado a otro.
El PET puede detectar cientos de sustancias químicas radioactivas diferentes, cantidades relativas de un neurotransmisor concreto, la densidad de los receptores del neurotransmisor o la actividad de los metabólicos asociados con el aprendizaje o la intoxicación encefálica.
Por otra parte, es indirecta, pues mide el flujo sanguíneo regional y no la actividad neural; las imágenes PET requieren un proceso de sustracción (la resta ya comentada) y, al interpretar los datos, los investigadores están realizando suposiciones que podrían no ser válidas en todas las circunstancias.
Resonancia magnética (RM): tecnología de estudio por imágenes no invasora de los tejidos blandos del cuerpo humano. Emplea un imán de gran tamaño y un pulso de radiofrecuencia de cierta resonancia desde el cerebro a fin de producir una imagen. Puede aplicarse al estudio de la anatomía encefálica y de la función nerviosa, además de que no posee riesgos.
Se basa en el principio de que el núcleo de un átomo de hidrógeno se comporta como un imán que gira, giro que genera una corriente eléctrica detectada para formar imágenes de densidad protónica del cerebro cuando todos los protones están alineados.
Resonancia magnética funcional (RMf): el mayor aporte de oxígeno por el incremento del flujo sanguíneo durante la actividad cerebral es superior a la necesidad tisular de oxígeno, así que aumenta la cantidad de oxígeno en un área cerebral activa. Es decir, a medida que las neuronas se activan se eleva su consumo de oxígeno y este lleva a una caída transitoria de la concentración de oxígeno en la sangre que se recupera a continuación con una mayor dilatación capilar.
Así, pasamos de un equilibrio entre las proporciones de desoxihemoglobina (hemoglobina sin oxígeno) y oxíhemoglobina (hemoglobina con oxígeno) a una predominancia de la oxihemoglobina. Estos cambios del contenido de oxígeno de la sangre alteran las propiedades magnéticas del agua que contiene y ello afecta a la señal de la RM. En base a esto, se demostró que la RM puede compatibilizar con precisión estos cambios en las proiedades magnéticas con localizaciones específicas del encéfalo, conociéndose las imágenes resultantes como RM funcionales (RMf). En otras palabras, a partir de los cambios en la señal de la RM producidos por las variaciones de oxígeno se pueden inferir cambios funcionales en el cerebro.
La RMf tiene una mejor resolución espacial que la PET pero no su resolución temporal no es tan precisa como la del EEG y el PE. Además, los aparatos empleados para ellas son costosos.
Espectroscopia por resonancia magnética: permite recoger imágenes de las zonas que el RM y el RMf no puede (20% del cerebro).
Manipulacion controlada experimentalmente de la conducta para estudiar los cambios en la actividad cerebral concomitantes.
Definición de hipótesis con base en modelos e funcionamiento cognitivo.
Diseño de tareas experimentales que pongan a prueba estas hipótesis.
Principio de sustracción cognitiva
AUTOEVALUCACIÓN:
1.1 Cal son as principais técnicas de rexistro da actividade eléctrica do cerebro empregadas en Neurociencia cognitiva? Explicar brevemente en que consiste cada unha, as súas principais vantaxes e limitacións.
1.2. Explicar concisamente en que consiste a técnica de imaxe por resonancia magnética funcional (IRMf) e cal son as súas principais vantaxes respecto da tomografía por emisión de positróns (TEP).
1.3. Explicar brevemente en que consiste a técnica de rexistro de potenciais evocados cerebrais, cal é a súa principal vantaxe respecto das técnicas hemodinámicas de neuroimaxe funcional e cal é a súa principal desavantaxe respecto delas.
1.4. Por qué é necesario promediar o EEG ante a presentación repetida dos estímulos para poder observar a actividade eléctrica relacionada co procesamento cognitivo deses estímulos? Por qué os compñentes (ondas) dos PE se visualizan mellor cantos máis segmentos do EEG se inclúan no promedio?
1.5. En que consiste a magnetoencefalografía, e que vantaxes aporta en relación coa electroencefalografía.
1.6. Relaciona, en termos de vantaxes e desavantaxes, as técnicas electrofisiolóxicas (nomeadamente magnetoencefalografía e potenciais evocados) e as de neuroimaxe ou hemodinámicas (nomeadamente a resonancia magnética funcional).
1.7. Define ou explica en qué consiste a Neurociencia Cognitiva, qué a identifica como disciplina científica.
Las neuronas codifican la información de varias formas, usando códigos temporales (emite durante toda la duración del evento) o de sucesos (emite al comenzar y al terminar el acontecimiento). Esto se ve apoyado tanto por la anatomía cerebral como por los resultados de estudios de registro de células única.
En general, las neuronas corticales disparan con un nivel relativamente bajo ( >3 descargas/minuto), mas puede aumentar hasta las 10 descargas por minuto con la activación. Otra opción es que el estímulo provoque una inhibición de la actividad neural.
La mayoría de las neuronas tiene un repertorio conductual limitado, respondiendo solo a un tipo de fenómeno o de conducta sensorial.
Las conductas bien aprendidas parecen ser codificadas por una actividad cortical relativamente escasa, mas las recién adquiridas se asocian a una excitabilidad mucho más difusa en la corteza.
Registro electroencefalográfico: colocando electrodos desde un voltímetro sobre el cráneo, podemos registrar la actividad eléctrica de grandes regiones del encéfalo humano. Estos registros han demostrado ser útiles para el estudio del sueño, la profundidad de la anestesia, diagnosticar epilepsia y daño encefálico y estudiar la función cerebral normal.
En una disposición típica de EEG, un electrodo (electrodo activo) se fija al cuero cabelludo para detectar la actividad eléctrica de las neuronas en el área cerebral subyacente, y un segundo electrodo (electrodo indiferente) en el lóbulo de la oreja, lugar carente de actividad eléctrica que se pueda detectar. Se requieren al menos dos porque el EEG registra la diferencia de los potenciales eléctricos detectada por los electrodos (de ahí que el segundo se coloque en una zona carente de energía eléctrica). Pese a ser pequeñas, las fluctuaciones eléctricas se pueden reproducir en un osciloscopio y trasladarse al papel mediante una impresora con tal de amplificarlas.
Cuando los electrodos colocados sobre el cuero cabelludo registran la actividad eléctrica del cerebro, en realidad están sumando los potenciales graduados de muchos miles de neuronas subyacentes.
El ritmo de las células puede fluctuar con la frecuencia cardíaca o la respiracíon, procesos que aportan oxígeno y glucosa a las células e influyen en la actividad cerebral.
El EEG permite el diagnóstico de la epilepsia gracias a que los diferentes tipos de epilepsia se asocian con ritmos eléctricos anormales.
También funciona para el estudio de las funciones cognitivas registrando diferentes canales de info del EEG y comparar las amplitudes y frecuencias del EEG de diferentes canales.
Potenciales evocados: se tratan de cambios breves en una señal EEG como respuesta a un estímulo sensitivo. Dado que un PE de interés está mezclado con tantas otras señales eléctricas en el cerebro que es imposible detectarlo únicamente con la inspección del EEG, una forma de conseguirlo es producir el estímulo repetidas veces y realizar el promedio de las respuestas registradas.
Pueden utilizarse para estudiar la función normal de la vía a través de la cual pasa la señal, la función normal de los núcleos que toman parte en el procesamiento de la señal y los procesos cognitivos en la neocorteza que se emplean para discriminar la señal y analizarla. Los PE pueden poner de manifiesto cambios eléctricos asociados con la planificación y la ejecución de movimientos.
Magnetoencefalografía: la actividad neural, al generar un campo eléctrico, también produce un campo magnético. Pese a lo reducido que es este campo para una sola neurona, el generado por muchas es lo suficientemente amplio para registrarse sobre el cráneo. Este registro se llama magnetoencefalograma (MEG).
Proporciona descripciones de la actividad eléctrica de las neuronas, y permite una localización tridimensional de los grupos celulares que generan el campo magnético, de ahí que sea más útil que el PE o que el EEG para identificar el origen de la actividad que ha de registrarse.
Para llevar a cabo el MEG necesitamos un dispositivo sensor que contiene los espirales superconductores especiales necesarios para detectar los débiles campos magnéticos del cerebro.
La desventaja del MEG es su elevado coste.
Estimulación magnética transcraneal (EMT): Mediante estimulación eléctrica cerebral podían suscitarse movimientos o sensaciones en los sujetos. Incialmente estas técnicas sólo podían utilizarse en el curso de una intervención quirúrgica, mas ahora también pueden ser usadas a través del cráneo mediante una pequeña espina que estimula las neuronas de las regiones cerebrales que se encuentran directamente debajo de la espiral. Este método es inofensivo al sujeto.
Ha demostrado que el cerebro difiere sustancialmente de un individuo a otro en el tamaño de las áreas del neocórtex dedicadas a diferentes funciones.
También se ha descubierto que su uso permite analizar tanto las diferencias individuales en la organización de la corteza como las diferencias resultantes de la experiencia de una persona.
TÉCNICAS DE NEUROIMAGEN O HEMODINÁMICAS
La Tomografía Computerizada (TC) fue trascendental por cambiar la práctica de la neurología al proporcionar una forma de estudiar el interior del cráneo sin dañar al paciente y por inspirar a científicos a usar estrategias matemáticas y computerizadas inteligentes a fin de desarrollar otros tipos de reconstrucción de imágenes.
Tomografía por emisión de positrones (PET): inyectamos una pequeña cantidad de agua con moléculas radiactivas en el torrente sanguíneo del paciente (también podemos usar un gas) y lo introducimos en una cámara con un conjunto de detectores de radicación dispuestos a modo de anillo alrededor de su cabeza. Un ordenador reconstruye las variaciones en la densidad del flujo de partículas provenientes de diferentes localizaciones para producir una imagen de un corte del cerebro. Al moverse por el flujo sanguíneo, las variaciones en la imagen representarán las áreas con diferentes flujos sanguíneos.
Para conocer la relación entre flujo sanguíneo y actividad mental, los investigadores toman el patrón de flujo sanguíneo registrado cuando el sujeto participa en una tarea experimental y le restan el patrón de cuando el cerebro se encuentra en un estado de control. Esta sustracción proporciona una imagen del cambio del flujo de un estado a otro.
El PET puede detectar cientos de sustancias químicas radioactivas diferentes, cantidades relativas de un neurotransmisor concreto, la densidad de los receptores del neurotransmisor o la actividad de los metabólicos asociados con el aprendizaje o la intoxicación encefálica.
Por otra parte, es indirecta, pues mide el flujo sanguíneo regional y no la actividad neural; las imágenes PET requieren un proceso de sustracción (la resta ya comentada) y, al interpretar los datos, los investigadores están realizando suposiciones que podrían no ser válidas en todas las circunstancias.
Se basa en el principio de que el núcleo de un átomo de hidrógeno se comporta como un imán que gira, giro que genera una corriente eléctrica detectada para formar imágenes de densidad protónica del cerebro cuando todos los protones están alineados.
Resonancia magnética funcional (RMf): el mayor aporte de oxígeno por el incremento del flujo sanguíneo durante la actividad cerebral es superior a la necesidad tisular de oxígeno, así que aumenta la cantidad de oxígeno en un área cerebral activa. Es decir, a medida que las neuronas se activan se eleva su consumo de oxígeno y este lleva a una caída transitoria de la concentración de oxígeno en la sangre que se recupera a continuación con una mayor dilatación capilar.
Así, pasamos de un equilibrio entre las proporciones de desoxihemoglobina (hemoglobina sin oxígeno) y oxíhemoglobina (hemoglobina con oxígeno) a una predominancia de la oxihemoglobina. Estos cambios del contenido de oxígeno de la sangre alteran las propiedades magnéticas del agua que contiene y ello afecta a la señal de la RM. En base a esto, se demostró que la RM puede compatibilizar con precisión estos cambios en las proiedades magnéticas con localizaciones específicas del encéfalo, conociéndose las imágenes resultantes como RM funcionales (RMf). En otras palabras, a partir de los cambios en la señal de la RM producidos por las variaciones de oxígeno se pueden inferir cambios funcionales en el cerebro.
La RMf tiene una mejor resolución espacial que la PET pero no su resolución temporal no es tan precisa como la del EEG y el PE. Además, los aparatos empleados para ellas son costosos.
Espectroscopia por resonancia magnética: permite recoger imágenes de las zonas que el RM y el RMf no puede (20% del cerebro).
LOS PROCEDIMIENTOS DE ESTUDIO DE LA NEUROCIENCIA COGNITIVA
Manipulacion controlada experimentalmente de la conducta para estudiar los cambios en la actividad cerebral concomitantes.
Definición de hipótesis con base en modelos e funcionamiento cognitivo.
Diseño de tareas experimentales que pongan a prueba estas hipótesis.
Principio de sustracción cognitiva
AUTOEVALUCACIÓN:
1.1 Cal son as principais técnicas de rexistro da actividade eléctrica do cerebro empregadas en Neurociencia cognitiva? Explicar brevemente en que consiste cada unha, as súas principais vantaxes e limitacións.
1.2. Explicar concisamente en que consiste a técnica de imaxe por resonancia magnética funcional (IRMf) e cal son as súas principais vantaxes respecto da tomografía por emisión de positróns (TEP).
1.3. Explicar brevemente en que consiste a técnica de rexistro de potenciais evocados cerebrais, cal é a súa principal vantaxe respecto das técnicas hemodinámicas de neuroimaxe funcional e cal é a súa principal desavantaxe respecto delas.
1.4. Por qué é necesario promediar o EEG ante a presentación repetida dos estímulos para poder observar a actividade eléctrica relacionada co procesamento cognitivo deses estímulos? Por qué os compñentes (ondas) dos PE se visualizan mellor cantos máis segmentos do EEG se inclúan no promedio?
1.5. En que consiste a magnetoencefalografía, e que vantaxes aporta en relación coa electroencefalografía.
1.6. Relaciona, en termos de vantaxes e desavantaxes, as técnicas electrofisiolóxicas (nomeadamente magnetoencefalografía e potenciais evocados) e as de neuroimaxe ou hemodinámicas (nomeadamente a resonancia magnética funcional).
1.7. Define ou explica en qué consiste a Neurociencia Cognitiva, qué a identifica como disciplina científica.
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