Esquema del mapeo cerebral

El siguiente esquema se ofrece como descripción general y guía temática sobre el mapeo cerebral:

Mapeo cerebral : conjunto de técnicas de neurociencia basadas en el mapeo de cantidades o propiedades (biológicas) sobre representaciones espaciales del cerebro (humano o no humano) que dan como resultado mapas. El mapeo cerebral se define además como el estudio de la anatomía y la función del cerebro y la médula espinal mediante el uso de imágenes (incluidas imágenes intraoperatorias, microscópicas, endoscópicas y multimodales), inmunohistoquímica, molecular y optogenética, células madre y biología celular, ingeniería (material, eléctrica y biomédica), neurofisiología y nanotecnología.

Amplio alcance

La doctrina de la neurona

Doctrina de las neuronas : conjunto de observaciones elementales cuidadosamente elaboradas sobre las neuronas. Para obtener más información y temas más actuales y avanzados, consulte la sección sobre el nivel celular .
Afirma que las neuronas caen dentro de la teoría celular más amplia , que postula:
- Todos los organismos vivos están compuestos de una o más células.
- La célula es la unidad básica de estructura, función y organización en todos los organismos.
- Todas las células provienen de células vivas preexistentes.
La doctrina de la neurona postula varios aspectos elementales de las neuronas:
- El cerebro está formado por células individuales (neuronas) que contienen características especializadas como dendritas , un cuerpo celular y un axón .
- Las neuronas son células diferenciables de otros tejidos del cuerpo.
- Las neuronas difieren en tamaño, forma y estructura según su ubicación o especialización funcional.
- Cada neurona tiene un núcleo, que es el centro trófico de la célula (la parte que debe tener acceso a la nutrición). Si la célula se divide, solo sobrevivirá la parte que contiene el núcleo.
- Las fibras nerviosas son el resultado de procesos celulares y del crecimiento de las células nerviosas. (Varios axones se unen para formar una fibrilla nerviosa. Véase también: Neurofilamento . Varias fibrillas nerviosas forman una gran fibra nerviosa. La mielina , un aislante eléctrico, se forma alrededor de axones seleccionados.
- Las neuronas se generan por división celular.
- Las neuronas están conectadas entre sí por puntos de contacto y no por continuidad citoplasmática. (Una membrana celular aísla el interior de la célula de su entorno. Las neuronas no se comunican por contacto directo de citoplasma a citoplasma).
- Ley de polarización dinámica. Aunque el axón puede conducir en ambas direcciones, en el tejido existe una dirección preferida de transmisión de célula a célula.
Elementos añadidos posteriormente a la doctrina Neuron inicial
- En el lugar de contacto entre dos neuronas existe una barrera que puede permitir la transmisión (sinapsis).
- Unidad de transmisión. Si se produce un contacto entre dos células, este contacto puede ser excitatorio o inhibidor , pero siempre será del mismo tipo.
- Ley de Dale, cada terminal nerviosa libera un único tipo de neurotransmisor.
Algunos de los postulados básicos de la doctrina de la neurona han sido posteriormente cuestionados, refutados o actualizados. Consulte los temas de la sección de nivel celular para obtener información adicional.

Proyectos de mapas, atlas y bases de datos

Proyecto de Mapa de Actividad Cerebral – Proyecto de 3 mil millones de dólares del NIH de 2013 para mapear cada neurona del cerebro humano en diez años, basado en el Proyecto Genoma Humano.

Investigación del cerebro de los NIH a través de la iniciativa BRAIN (Avanzando con las neurotecnologías innovadoras) [1]
Sitio de divulgación comunitaria mencionado anteriormente donde el público puede hacer comentarios [2]

Proyecto Cerebro Humano (UE) : proyecto de 1000 millones de euros y 10 años de duración para simular el cerebro humano con superordenadores.

BigBrain Un atlas 3D de alta resolución del cerebro humano creado como parte del HBP.

Proyecto del Conectoma Humano : proyecto de 30 millones de dólares del NIH de 2009 para construir un mapa de la red del cerebro humano, incluidos los elementos estructurales (anatómicos) y funcionales. El énfasis se puso en la investigación sobre la dislexia, el autismo, la enfermedad de Alzheimer y la esquizofrenia. Véase también Conectoma , un mapa completo de las conexiones neuronales en el cerebro.
Atlas cerebral de Allen : proyecto de 100 millones de dólares financiado en 2003 por Paul Allen (Microsoft)
BrainMaps : base de datos del Instituto Nacional de Salud (NIH) que incluye 60 terabytes de exploraciones de imágenes de primates y no primates, integradas con información que cubre la estructura y la función.
NeuroNames – Define el cerebro en términos de aproximadamente 550 estructuras primarias (aproximadamente 850 estructuras únicas ) con las que se relacionan todas las demás estructuras, nombres y sinónimos. Se incluyen unos 15.000 términos neuroanatómicos indexados de forma cruzada, incluidos muchos sinónimos en siete idiomas. La cobertura incluye el cerebro y la médula espinal de las cuatro especies estudiadas con mayor frecuencia por los neurocientíficos: el ser humano, el macaco (mono), la rata y el ratón. El vocabulario controlado y estandarizado para cada estructura se ubica en una jerarquía física estricta e inequívoca, y estos términos se seleccionan en función de la facilidad de pronunciación, el valor mnemotécnico y la frecuencia de uso en publicaciones neurocientíficas recientes. Se incluye la relación de cada estructura con sus superestructuras y subestructuras. El vocabulario controlado es adecuado para indexar de forma única la información neuroanatómica en bases de datos digitales.
Promoción de la Década del Cerebro 1990-1999 por parte de los NIH y la Biblioteca del Congreso "para aumentar la conciencia pública sobre los beneficios que se derivan de la investigación del cerebro". Las comunicaciones estaban dirigidas a los miembros del Congreso, al personal y al público en general para promover la financiación.
Atlas de Talairach ver Jean Talairach
Atlas del cerebro completo de Harvard: ver Cerebro humano
Plantilla MNI ver Computación de imágenes médicas
Proyecto Cerebro Azul y Cerebro Artificial
Consorcio Internacional para el Mapeo Cerebral véase Mapeo Cerebral
Lista de bases de datos de neurociencia
Caja de herramientas del NIH Caja de herramientas del Instituto Nacional de Salud (EE. UU.) para la evaluación de la función neurológica y conductual
Organización para el Mapeo del Cerebro Humano La Organización para el Mapeo del Cerebro Humano (OHBM) es una sociedad internacional dedicada a utilizar la neuroimagen para descubrir la organización del cerebro humano.

Sistemas de imágenes y grabación

Esta sección cubre los sistemas de obtención de imágenes y registro. La sección general cubre la historia, la obtención de imágenes neurológicas y las técnicas para mapear conexiones neuronales específicas. La sección de sistemas específicos cubre las diversas tecnologías específicas, incluidos los sistemas de obtención de imágenes y registro experimentales y ampliamente utilizados.

General

La mayoría de los trabajos de obtención de imágenes de neuronas individuales realizados hasta la fecha se han llevado a cabo fuera del cerebro, por lo general en neuronas grandes, y han sido, en la mayoría de los casos, destructivos. Sin embargo, están surgiendo nuevas técnicas rápidamente. Busque "imágenes de neuronas individuales" y vea los temas relacionados: Modelo de neurona biológica , Registro de una sola unidad , Oscilación neuronal , Neurociencia computacional . La dMRI (arriba) también es prometedora en la obtención de imágenes no destructivas de neuronas individuales dentro del cerebro.
Historia de la neuroimagen (redirecciones desde Escáner cerebral)
Neuroimagen (redirecciones desde Mapa de funciones cerebrales)
Conectómica : técnica de mapeo que muestra las conexiones neuronales en un sistema nervioso.

Sistemas específicos

Mapeo de estimulación cortical
Resonancia magnética de difusión (dMRI): incluye imágenes por tensor de difusión (DTI) y resonancia magnética funcional de difusión (DfMRI) . La dMRI es un avance reciente en el mapeo cerebral que permite la visualización de conexiones cruzadas entre diferentes partes anatómicas del cerebro. Permite la obtención de imágenes no invasivas de la estructura de las fibras de la materia blanca y, además del mapeo, puede ser útil en las observaciones clínicas de anomalías, incluido el daño causado por un accidente cerebrovascular.
Electroencefalografía (EEG): utiliza electrodos en el cuero cabelludo y otras técnicas para detectar el flujo eléctrico de corrientes.
Electrocorticografía : EEG intracraneal, la práctica de utilizar electrodos colocados directamente sobre la superficie expuesta del cerebro para registrar la actividad eléctrica de la corteza cerebral.
Técnicas electrofisiológicas para el diagnóstico clínico
Imágenes por resonancia magnética funcional (fMRI)
Computación de imágenes médicas (investigación cerebral que conduce a usos médicos y quirúrgicos de la tecnología de mapeo)
Neuroestimulación (en la investigación, la estimulación se utiliza con frecuencia junto con la obtención de imágenes)
Tomografía por emisión de positrones (PET): técnica de obtención de imágenes médicas nucleares que produce una imagen tridimensional o una fotografía de los procesos funcionales del organismo. El sistema detecta pares de rayos gamma emitidos indirectamente por un radionúclido emisor de positrones (trazador), que se introduce en el organismo en una molécula biológicamente activa. A continuación, se construyen imágenes tridimensionales de la concentración del trazador en el organismo mediante análisis informático. En los escáneres modernos, la obtención de imágenes tridimensionales suele lograrse con la ayuda de una tomografía computarizada realizada al paciente durante la misma sesión, en la misma máquina.

Componentes de imagen y grabación

Electroquímica

Respuesta hemodinámica : el suministro rápido de sangre a los tejidos neuronales activos. La señal dependiente del nivel de oxigenación sanguínea (BOLD) corresponde a la concentración de desoxihemoglobina. El efecto BOLD se basa en el hecho de que cuando aumenta la actividad neuronal en una parte del cerebro, también aumenta la cantidad de flujo sanguíneo cerebral a esa zona. La detección de la señal BOLD permite obtener imágenes por resonancia magnética funcional.
La resonancia magnética funcional relacionada con eventos se puede utilizar para detectar cambios en la respuesta hemodinámica dependiente del nivel de oxígeno en sangre (BOLD) a la actividad neuronal en respuesta a ciertos eventos.

Eléctrico

Potenciales relacionados con eventos : respuestas positivas y negativas de 10 μ a 100 μ voltios (μ es millonésimas), medidas a través de electrodos no invasivos adheridos al cuero cabelludo, que son los resultados confiables y repetibles de un determinado evento sensorial, cognitivo o motor específico. También se denominan respuestas electrofisiológicas estereotipadas a un estímulo. Se denominan potenciales evocados somatosensoriales cuando son provocados por estímulos de eventos sensoriales (en comparación con los cognitivos o motores). Las secuencias de oscilaciones de voltaje se registran y se desglosan en positivas y negativas, y según el tiempo después del estímulo en que se observan. Por ejemplo, [N100] es una oscilación negativa observada entre 80 y 120 milisegundos (siendo 100 el punto medio) después del inicio del estímulo. Alternativamente, las oscilaciones de voltaje se etiquetan según su orden, siendo N1 la primera oscilación negativa observada, N2 la segunda oscilación negativa, etc. Ver: N100 (neurociencia) , N200 (neurociencia) , P300 (neurociencia) , N400 (neurociencia) , P600 (neurociencia) . Las primeras oscilaciones negativas y positivas (ver Visual N1 , C1 y P1 (neurociencia) ) en respuesta a la estimulación visual son de particular interés para estudiar la sensibilidad y la selectividad de la atención.

Electromagnético

Magnetoencefalografía : técnica para mapear la actividad cerebral mediante el registro de los campos magnéticos producidos por las corrientes eléctricas que ocurren naturalmente en el cerebro, utilizando magnetómetros muy sensibles. En la investigación, el uso principal de la MEG es la medición de los cursos temporales de actividad. La MEG puede resolver eventos con una precisión de 10 milisegundos o más rápido, mientras que la resonancia magnética funcional (fMRI), que depende de los cambios en el flujo sanguíneo, puede, en el mejor de los casos, resolver eventos con una precisión de varios cientos de milisegundos. La MEG también identifica con precisión las fuentes en las áreas auditivas, somatosensoriales y motoras primarias. Para crear mapas funcionales de la corteza humana durante tareas cognitivas más complejas, la MEG se combina con mayor frecuencia con la fMRI, ya que los métodos se complementan entre sí. Los datos neuronales (MEG) y hemodinámicos (fMRI) no necesariamente coinciden, a pesar de la estrecha relación entre los potenciales de campo local (LFP) y las señales dependientes del nivel de oxigenación sanguínea (BOLD)

Radiológico

Radionúclido emisor de positrones (trazador). Véase Tomografía por emisión de positrones
Altanserina : compuesto que se une a un receptor de serotonina. Cuando se marca con el isótopo flúor-18, se utiliza como radioligando en estudios de tomografía por emisión de positrones (PET) del cerebro.

Procesamiento visual y mejora de imágenes

Visualización científica : rama interdisciplinaria de la ciencia que se ocupa principalmente de la visualización de fenómenos tridimensionales (incluidos los médicos, biológicos y otros), donde el énfasis está puesto en representaciones realistas de volúmenes, superficies, fuentes de iluminación, etc., quizás con un componente dinámico (temporal). Se considera una rama de la informática que es un subconjunto de los gráficos por computadora. El mapeo cerebral es uno de los principales beneficiarios de los avances en la visualización científica.
Detección de manchas : un área en la visión por computadora. Una mancha es una región de una imagen digital en la que algunas propiedades (como el brillo o el color, en comparación con las áreas que rodean esas regiones) son constantes o varían dentro de un rango prescrito de valores; todos los puntos de una mancha pueden considerarse en algún sentido similares entre sí.

Tecnologías de la información

Determinación de la cantidad de clústeres en un conjunto de datos : una aplicación típica es la reducción de datos: como el aumento en la resolución temporal de los experimentos de fMRI produce rutinariamente secuencias de fMRI que contienen varios cientos de imágenes, a veces es necesario invocar la extracción de características para reducir la dimensionalidad del espacio de datos.
Anisotropía fraccional : una medida que se utiliza a menudo en imágenes de difusión, donde se cree que refleja la densidad de las fibras, el diámetro axonal y la mielinización en la sustancia blanca. La anisotropía fraccional es una extensión del concepto de excentricidad de las secciones cónicas en tres dimensiones, normalizada al rango de unidades. La anisotropía es la propiedad de ser direccionalmente dependiente, a diferencia de la isotropía, que implica propiedades idénticas en todas las direcciones.
Modelo lineal general : un modelo lineal estadístico. Puede escribirse como Y=XB +U, donde Y es una matriz con series de mediciones multivariadas, X es una matriz que puede ser una matriz de diseño, B es una matriz que contiene parámetros que normalmente se deben estimar y U es una matriz que contiene errores o ruido. Se utiliza con frecuencia en el análisis de múltiples exploraciones cerebrales en experimentos científicos, donde Y contiene datos de las exploraciones cerebrales, X contiene variables de diseño experimental y factores de confusión. Véase también: mapeo paramétrico estadístico
Remuestreo (estadísticas) Consulte la sección sobre pruebas de permutación. Las pruebas de permutación no paramétricas se utilizan en fMRI.

Paquetes de software

Análisis de imágenes neurológicas funcionales : un entorno de código abierto para procesar y visualizar datos de resonancia magnética funcional
Cambridge Brain Analysis : un repositorio de software desarrollado en la Universidad de Cambridge para el análisis de imágenes por resonancia magnética funcional (fMRI) bajo la Licencia Pública General de GNU y que se ejecuta en Linux.
Mapeo estadístico paramétrico : técnica estadística para examinar las diferencias en la actividad cerebral registrada durante experimentos de neuroimagen funcional utilizando tecnologías de neuroimagen como fMRI o PET. También puede referirse a un programa específico creado por el Departamento de Neurociencia de Imágenes de Wellcome (parte del University College de Londres) para llevar a cabo dichos análisis.
ITK-SNAP es una aplicación de software interactiva que permite a los usuarios navegar por imágenes médicas tridimensionales, delinear manualmente regiones anatómicas de interés y realizar una segmentación automática de imágenes. Se utiliza con mayor frecuencia para trabajar con conjuntos de datos de imágenes por resonancia magnética (IRM) y tomografía computarizada (TC).
Caja de herramientas de anatomía computacional: un paquete de software utilizado para el análisis de datos de imágenes cerebrales estructurales.
El servidor Budapest Reference Connectome genera gráficos cerebrales de consenso con parámetros seleccionables; los gráficos se pueden descargar en formato GraphML anotado y también se pueden ver instantáneamente en el sitio.

Científicos, académicos e investigadores

Mark S. Cohen , neurocientífico y profesor de la UCLA. Pionero en la obtención de imágenes cerebrales funcionales mediante resonancia magnética (MRI).
Anders Dale, neurocientífico y profesor de la Universidad de California en San Diego, desarrolló el software de análisis de imágenes cerebrales FreeSurfer , que facilita la visualización de las regiones funcionales de la corteza cerebral altamente plegada.
Pierre Flor-Henry demostró en un estudio sobre la psicosis epiléptica que la esquizofrenia se relaciona con las epilepsias del hemisferio izquierdo y los estados maníaco-depresivos con las del hemisferio derecho.
Angela D. Friederici es directora del Instituto Max Planck de Ciencias Cognitivas y Cerebrales Humanas en Leipzig, Alemania, con especialización en neuropsicología y lingüística.
Karl J. Friston , neurocientífico británico y autoridad en imágenes cerebrales. Inventor del mapeo estadístico paramétrico
Isabel Gauthier , neurocientífica y directora del Laboratorio de Percepción de Objetos de la Universidad de Vanderbilt
Matthew Howard, III Profesor de Neurocirugía en la Universidad de Iowa conocido por sus contribuciones en el campo del mapeo del cerebro humano utilizando electrofisiología intracraneal.
La Dra. Surbhi Jain, la primera neurocirujana del estado de Rajastán, ejerce en el Moffitt Cancer Center de Tampa (Florida) y ostenta el récord mundial de mayor número de pacientes tratados mediante cirugía cerebral guiada por mapeo cerebral.
Gitte Moos Knudsen Gitte Moos Knudsen neurobióloga y profesora de neuróloga clínica en el Hospital Universitario de Copenhague.
Kenneth Kwong Científico de la Universidad de Harvard conocido por su trabajo en fMRI
Robert Livingston (científico) (9 de octubre de 1918 – 26 de abril de 2002) neurocientífico En 1964, Livingston fundó el departamento de neurociencia, el primero de su tipo en el mundo, en la recién construida Universidad de California en San Diego. Su investigación más conocida fue la cartografía y la obtención de imágenes por ordenador del cerebro humano. Su interés por el cerebro también se extendió a cuestiones de cognición, conciencia, emociones y espiritualidad.
Helen S. Mayberg , profesora de neurología y psiquiatría en la Universidad Emory. Su especialización incluye la delineación de la función cerebral anormal en pacientes con depresión mayor mediante neuroimagen funcional.
Geraint Rees, director de la Facultad de Ciencias del Cerebro de la University College de Londres
Sidarta Ribeiro neurocientífica y directora del Brain Institute de la Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Perminder Sachdev Neuropsiquiatra Profesor de la Universidad de Nueva Gales del Sur y director del Centro para el Envejecimiento Cerebral Saludable
Pedro Antonio Valdés-Sosa Vicedirector del Centro de Neurociencias de Cuba, que cofundó en 1990. Su especialización incluye el análisis estadístico de mediciones electrofisiológicas, neuroimagen (fMRI, EEG y tomografía MEG), modelado dinámico no lineal de funciones cerebrales incluyendo desarrollo de software y equipos electrofisiológicos. Miembro de los Consejos Editoriales de NeuroImage , Medicc, Audioology and Neurotology, PLosOne y Brain Connectivity.
Robert Turner es director del Instituto Max Planck de Ciencias Cognitivas y Cerebrales Humanas en Leipzig, Alemania, y se especializa en física cerebral e imágenes por resonancia magnética (IRM). Se le atribuye la creación del diseño de las bobinas que se encuentran dentro de cada escáner de IRM.
Arno Villringer Director del Instituto Max Planck de Ciencias Cognitivas y Cerebrales Humanas en Leipzig, Alemania