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Espectroscopia de resonancia magnética funcional del cerebro

La espectroscopia de resonancia magnética funcional del cerebro ( fMRS ) utiliza imágenes por resonancia magnética (MRI) para estudiar el metabolismo cerebral durante la activación cerebral . Los datos generados por fMRS generalmente muestran espectros de resonancias, en lugar de una imagen del cerebro, como ocurre con la MRI. El área bajo los picos del espectro representa concentraciones relativas de metabolitos.

La fMRS se basa en los mismos principios que la espectroscopia de resonancia magnética (MRS) in vivo . Sin embargo, mientras que la MRS convencional registra un único espectro de metabolitos de una región de interés, un interés clave de la fMRS es detectar múltiples espectros y estudiar la dinámica de la concentración de metabolitos durante la función cerebral. Por lo tanto, a veces se la denomina MRS dinámica , [1] [2] MRS relacionada con eventos [3] o MRS resuelta en el tiempo . [4] Una variante novedosa de la fMRS es la espectroscopia ponderada por difusión funcional (fDWS), que mide las propiedades de difusión de los metabolitos cerebrales tras la activación cerebral. [5]

A diferencia de la MRS in vivo, que se utiliza intensamente en entornos clínicos, la fMRS se utiliza principalmente como herramienta de investigación, tanto en un contexto clínico, por ejemplo, para estudiar la dinámica de los metabolitos en pacientes con epilepsia , migraña y dislexia , como para estudiar cerebros sanos. La fMRS se puede utilizar para estudiar la dinámica del metabolismo también en otras partes del cuerpo, por ejemplo, en los músculos y el corazón; sin embargo, los estudios del cerebro han sido mucho más populares.

Los objetivos principales de los estudios fMRS son contribuir a la comprensión del metabolismo energético en el cerebro y probar y mejorar las técnicas de adquisición y cuantificación de datos para garantizar y mejorar la validez y confiabilidad de los estudios fMRS.

Principios básicos

Núcleos estudiados

Al igual que la espectroscopia in vivo, la fMRS puede sondear diferentes núcleos, como el hidrógeno ( 1H ) y el carbono ( 13C ). El núcleo 1H es el más sensible y se utiliza con mayor frecuencia para medir las concentraciones de metabolitos y la dinámica de la concentración, mientras que el 13C es el más adecuado para caracterizar los flujos y las vías del metabolismo cerebral. La abundancia natural de 13C en el cerebro es solo de alrededor del 1%; por lo tanto, los estudios de fMRS con 13C generalmente implican el enriquecimiento de isótopos mediante infusión o ingestión. [6]

En la literatura, el 13 C fMRS se conoce comúnmente como 13 C MRS funcional o simplemente 13 C MRS . [7]

Resolución espectral y temporal

Por lo general, en la MRS se adquiere un único espectro promediando suficientes espectros durante un largo tiempo de adquisición. [8] El promediado es necesario debido a las estructuras espectrales complejas y las concentraciones relativamente bajas de muchos metabolitos cerebrales, que dan como resultado una baja relación señal-ruido (SNR) en la MRS de un cerebro vivo.

La fMRS se diferencia de la MRS en que no se adquiere uno sino varios espectros en diferentes puntos temporales mientras el participante se encuentra dentro del escáner de MRI. Por lo tanto, la resolución temporal es muy importante y los tiempos de adquisición deben ser lo suficientemente breves para proporcionar una tasa dinámica de cambio de la concentración de metabolitos.

Para equilibrar la necesidad de resolución temporal y suficiente relación señal-ruido, la fMRS requiere una alta intensidad de campo magnético (1,5 T y superior). Las altas intensidades de campo tienen la ventaja de una mayor relación señal-ruido, así como una resolución espectral mejorada , lo que permite detectar más metabolitos y una dinámica de metabolitos más detallada. [2]

La fMRS está avanzando continuamente a medida que se dispone de imanes más potentes y se desarrollan mejores técnicas de adquisición de datos que proporcionan una mayor resolución espectral y temporal. Con los escáneres de imanes de 7 teslas es posible detectar alrededor de 18 metabolitos diferentes del espectro de 1 H, lo que supone una mejora significativa con respecto a los imanes menos potentes. [9] [10] La resolución temporal ha aumentado de 7 minutos en los primeros estudios de fMRS [11] a 5 segundos en los más recientes. [4]

Técnica espectroscópica

En fMRS, dependiendo del enfoque del estudio, se puede utilizar una técnica espectroscópica de un solo vóxel o de múltiples vóxeles.

En la fMRS de un solo vóxel, la selección del volumen de interés (VOI) se realiza a menudo ejecutando un estudio de imágenes por resonancia magnética funcional (fMRI) antes de la fMRS para localizar la región cerebral activada por la tarea. La espectroscopia de un solo vóxel requiere tiempos de adquisición más cortos; por lo tanto, es más adecuada para estudios de fMRS donde se necesita una alta resolución temporal y donde se conoce el volumen de interés.

La espectroscopia multivóxel proporciona información sobre grupos de vóxeles y los datos se pueden presentar en imágenes 2D o 3D, pero requiere tiempos de adquisición más largos y, por lo tanto, la resolución temporal se reduce. La espectroscopia multivóxel se realiza generalmente cuando no se conoce el volumen específico de interés o es importante estudiar la dinámica de los metabolitos en una región cerebral más grande. [12]

Ventajas y limitaciones

La fMRS tiene varias ventajas sobre otras técnicas de neuroimagen funcional y detección de la bioquímica cerebral. A diferencia de la cánula push-pull , la microdiálisis y la voltamperometría in vivo , la fMRS es un método no invasivo para estudiar la dinámica de la bioquímica en un cerebro activado. Se realiza sin exponer a los sujetos a la radiación ionizante como se hace en los estudios de tomografía por emisión de positrones (PET) o tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT). La fMRS proporciona una medición más directa de los eventos celulares que ocurren durante la activación cerebral que la fMRI BOLD o la PET que se basan en respuestas hemodinámicas y muestran solo la captación de energía neuronal global durante la activación cerebral, mientras que la fMRS también proporciona información sobre los procesos metabólicos subyacentes que respaldan el funcionamiento del cerebro. [6]

Sin embargo, la fMRS requiere una adquisición de datos, métodos de cuantificación e interpretación de resultados muy sofisticados. Esta es una de las principales razones por las que en el pasado recibió menos atención que otras técnicas de RM, pero la disponibilidad de imanes más potentes y las mejoras en la adquisición de datos y los métodos de cuantificación están haciendo que la fMRS sea más popular. [13]

Las principales limitaciones de la fMRS están relacionadas con la sensibilidad de la señal y el hecho de que muchos metabolitos de interés potencial no pueden detectarse con las técnicas fMRS actuales.

Debido a la limitada resolución espacial y temporal, la fMRS no puede proporcionar información sobre los metabolitos en diferentes tipos de células, por ejemplo, si el lactato es utilizado por las neuronas o por los astrocitos durante la activación cerebral. El volumen más pequeño que se puede caracterizar actualmente con fMRS es 1 cm 3 , que es demasiado grande para medir metabolitos en diferentes tipos de células. Para superar esta limitación, se utiliza el modelado matemático y cinético. [14] [15]

Muchas áreas del cerebro no son adecuadas para estudios fMRS porque son demasiado pequeñas (como los núcleos pequeños en el tronco encefálico ) o están demasiado cerca del tejido óseo, el LCR o los lípidos extracraneales , lo que podría causar falta de homogeneidad en el vóxel y contaminar los espectros. [16] Para evitar estas dificultades, en la mayoría de los estudios fMRS el volumen de interés se elige de la corteza visual , porque se estimula fácilmente, tiene altos metabolismos energéticos y produce buenas señales MRS. [17]

Aplicaciones

A diferencia de la MRS in vivo, que se utiliza de forma intensiva en entornos clínicos, [ cita requerida ] la fMRS se utiliza principalmente como herramienta de investigación, tanto en un contexto clínico, por ejemplo, para estudiar la dinámica de los metabolitos en pacientes con epilepsia , [18] migraña [19] [20] [17] y dislexia , [16] [21] y para estudiar cerebros sanos.

La fMRS se puede utilizar para estudiar la dinámica del metabolismo también en otras partes del cuerpo, por ejemplo, en los músculos [22] y el corazón; [23] sin embargo, los estudios del cerebro han sido mucho más populares.

Los principales objetivos de los estudios fMRS son contribuir a la comprensión del metabolismo energético en el cerebro y probar y mejorar las técnicas de adquisición y cuantificación de datos para garantizar y mejorar la validez y confiabilidad de los estudios fMRS. [24]

Estudios del metabolismo energético cerebral

La fMRS se desarrolló como una extensión de la MRS a principios de los años 1990. [11] Su potencial como tecnología de investigación se hizo evidente cuando se aplicó a un importante problema de investigación en el que los estudios PET no habían sido concluyentes, a saber, el desajuste entre el consumo de oxígeno y glucosa durante la estimulación visual sostenida. [25] Los estudios de fMRS con 1 H destacaron el importante papel del lactato en este proceso y contribuyeron significativamente a la investigación sobre el metabolismo energético cerebral durante la activación cerebral. Confirmó la hipótesis de que el lactato aumenta durante la estimulación visual sostenida [26] [27] [28] y permitió la generalización de los hallazgos basados ​​en la estimulación visual a otros tipos de estimulación, por ejemplo, estimulación auditiva, [29] tarea motora [30] y tareas cognitivas. [16] [31]

Las mediciones de fMRS de 1 H fueron fundamentales para lograr el consenso actual entre la mayoría de los investigadores de que los niveles de lactato aumentan durante los primeros minutos de una intensa activación cerebral. Sin embargo, no hay resultados consistentes sobre la magnitud del aumento, y las preguntas sobre el papel exacto del lactato en el metabolismo energético cerebral aún permanecen sin respuesta y son objeto de investigación continua. [32] [33]

La 13 C MRS es un tipo especial de fMRS particularmente adecuado para medir flujos neurofisiológicos importantes in vivo y en tiempo real para evaluar la actividad metabólica tanto en cerebros sanos como enfermos (por ejemplo, en tejido tumoral humano [34] ). Estos flujos incluyen el ciclo del TCA , el ciclo del glutamato-glutamina , la glucosa y el consumo de oxígeno. [6] La 13 C MRS puede proporcionar información cuantitativa detallada sobre la dinámica de la glucosa que no se puede obtener con la 1 H fMRS, debido a la baja concentración de glucosa en el cerebro y la propagación de sus resonancias en varios multipletes en el espectro de la 1 H MRS. [35]

Las MRS de 13 C han sido cruciales para reconocer que el cerebro humano despierto no estimulado (en reposo) es altamente activo y utiliza entre el 70% y el 80% de su energía para la oxidación de la glucosa para apoyar la señalización dentro de las redes corticales, lo que se sugiere que es necesario para la conciencia . [36] Este hallazgo tiene una implicación importante para la interpretación de los datos de fMRI BOLD, donde esta alta actividad basal generalmente se ignora y la respuesta a la tarea se muestra como independiente de la actividad basal. Los estudios de MRS de 13 C indican que este enfoque puede juzgar mal e incluso pasar por alto por completo la actividad cerebral inducida por la tarea. [37]

Los hallazgos de la MRS de 13 C junto con otros resultados de estudios PET y fMRI se han combinado en un modelo para explicar la función de la actividad en estado de reposo llamada red en modo predeterminado . [38]

Otro beneficio importante de la 13 C MRS es que proporciona un medio único para determinar la evolución temporal de los depósitos de metabolitos y medir las tasas de recambio de los ciclos de TCA y glutamato-glutamina. Como tal, se ha demostrado que es importante en la investigación del envejecimiento al revelar que el metabolismo mitocondrial se reduce con el envejecimiento, lo que puede explicar el deterioro de los procesos cognitivos y sensoriales. [39]

Estudios de resonancia del agua

Por lo general, en la fMRS de 1 H se suprime la señal de agua para detectar metabolitos con una concentración mucho menor que la del agua. Sin embargo, una señal de agua no suprimida se puede utilizar para estimar cambios funcionales en el tiempo de relajación T2* durante la activación cortical.

Este enfoque se ha propuesto como una alternativa a la técnica BOLD fMRI y se ha utilizado para detectar la respuesta visual a la estimulación fótica , la activación motora mediante golpeteo de dedos y las activaciones en áreas del lenguaje durante el procesamiento del habla. [40] Recientemente, se ha propuesto la espectroscopia de protones de un solo vóxel funcional en tiempo real (fSVPS) como una técnica para estudios de neurofeedback en tiempo real en campos magnéticos de 7 teslas (7 T) y superiores. Este enfoque podría tener ventajas potenciales sobre la fMRI BOLD y es el tema de la investigación actual. [41]

Estudios sobre migraña y dolor

La fMRS se ha utilizado en la investigación de la migraña y el dolor y ha respaldado la importante hipótesis de la disfunción mitocondrial en pacientes con migraña con aura (MwA). En este caso, la capacidad de la fMRS para medir los procesos químicos en el cerebro a lo largo del tiempo resultó crucial para confirmar que la estimulación fótica repetitiva provoca un mayor aumento del nivel de lactato y una mayor disminución del nivel de N-acetilaspartato (NAA) en la corteza visual de los pacientes con MwA en comparación con los pacientes con migraña sin aura (MwoA) y los individuos sanos. [17] [19] [20]

En la investigación del dolor, la fMRS complementa las técnicas fMRI y PET. Aunque la fMRI y la PET se utilizan continuamente para localizar áreas de procesamiento del dolor en el cerebro, no pueden proporcionar información directa sobre los cambios en los metabolitos durante el procesamiento del dolor que podrían ayudar a comprender los procesos fisiológicos detrás de la percepción del dolor y potencialmente conducir a nuevos tratamientos para el dolor . La fMRS supera esta limitación y se ha utilizado para estudiar los cambios en el nivel de neurotransmisores inducidos por el dolor (presión por frío, calor, dolor dental) en la corteza cingulada anterior , [42] [43] la corteza insular anterior [4] y la corteza insular izquierda. [44] Estos estudios de fMRS son valiosos porque muestran que algunos o todos los compuestos Glx ( glutamato , GABA y glutamina ) aumentan durante los estímulos dolorosos en las regiones cerebrales estudiadas.

Estudios cognitivos

Los estudios cognitivos se basan con frecuencia en la detección de la actividad neuronal durante la cognición. El uso de fMRS para este fin se encuentra actualmente principalmente en un nivel experimental, pero está aumentando rápidamente. A continuación se resumen las tareas cognitivas en las que se ha utilizado fMRS y los principales hallazgos de la investigación.

Véase también

Referencias

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