Las principales herramientas

Explora cómo la estructura del cerebro y el mapa de su actividad
Las principales herramientas
EL ESCÁNER X

La idea

La TC utiliza rayos X para ver un cuerpo por los recortes. La técnica, también llamada TC * X de escritorio, o TC, fue desarrollado en 1972. Como la radiografía convencional, se basa en la absorción mayor o menor de los rayos X de acuerdo con el medio atravesado (huesos, por ejemplo, es mucho más absorbente que los tejidos blandos). Permite visualizar el objeto en plazos de pocos milímetros de espesor cada una, mientras que una radiografía simple vista sólo se ofrece la proyección del volumen irradiado. Esta invención se debe a Allan MacLeod Cormack, el biofísico estadounidense originaria de Sudáfrica, Godfrey Newbold Hounsfield y, ingeniero Inglés (Premio Nobel de Medicina 1979).

El principio

Scanning la sección examinó con un estrecho haz de rayos X y de grabación, para cada posición del haz, la intensidad transmitida. Para obtener la información suficiente, el análisis del plan debe hacerse varias veces, desde ángulos diferentes. Varias configuraciones existen para este ( la fig. abajo ).

Los datos registrados son luego procesadas por ordenador para reconstruir la imagen de los X rebanada explorados a través de complejos algoritmos de reconstrucción. Al repetir la operación en varias secciones sucesivas del órgano, se construyó una imagen X tridimensional.
Esto demuestra que

Las imágenes de contraste corresponden a diferencias en la absorción de los tejidos atravesados ​​por los rayos.

La absorción de energía aumenta con la densidad de electrones, y por lo tanto depende del material atravesado. Una tomografía computarizada puede distinguir la mayoría de los tejidos blandos huesos. También se puede mejorar el contraste mediante la administración al sujeto por vía intravenosa, algunos productos absorbentes, por ejemplo, para visualizar mejor los vasos sanguíneos.

¿Qué es

TC se utiliza con frecuencia en la medicina para diagnosticar tumores, lesiones, fracturas, etc. En el campo de la investigación del cerebro, ya mediados de 1980, las imágenes por resonancia magnética anatómica tiende a reemplazar la X, ya que ofrece imágenes más contrastantes. Sin embargo, el TC se encuentra todavía en neuropsiquiatría y neurocirujanos para identificar las lesiones o tumores cerebrales.

Beneficios

Tomografía computarizada de una rebanada de X (unos pocos milímetros de espesor) toma unos pocos segundos o menos – unos pocos milisegundos con la mayoría de equipos sofisticados. La resolución espacial (tamaño mínimo de los detalles) es muy bueno, al milímetro ( véase más adelante en contra de las resoluciones de la exploración técnica principal del cerebro ).

Hoy en día, numerosos hospitales y clínicas tienen una tomografía computarizada, el costo es razonable (menos de 3 millones de francos).

Desventajas

Principalmente, los rayos X que recibe el paciente. La dosis es suficientemente alta, pero este problema es insignificante en el caso del cerebro. En efecto, las células cerebrales, no se dividen, son muy insensibles a la radiación. Otro inconveniente: es puramente técnica anatómica, no proporciona información sobre la función cerebral.

La electroencefalografía (EEG)

La idea

Los impulsos nerviosos enviados por las neuronas es de naturaleza electroquímica, el EEG es la medición de los potenciales eléctricos, por lo general en la superficie del cráneo, y monitorear sus cambios con el tiempo. Se trata de Hans Berger, en Jena en 1924, lo que hizo el primer EEG en los seres humanos.

El principio

Medimos el potencial eléctrico en uno o más puntos en la superficie del cráneo a través de electrodos colocados en el cuero cabelludo y conectado a un potenciómetro sensible ( véase más adelante contras ). Un diagrama de potencial en función del tiempo se puede hacer.

¿En qué medida

Los potenciales se registran generalmente en el intervalo de 10 a 100 microvoltios. Su evolución en el tiempo se puede seguir con una resolución del orden de un milisegundo.

Sin embargo, cada electrodo detecta el potencial eléctrico sólo a nivel local, y captar una señal, de hecho, debido a un gran número de células nerviosas. Para un mapa detallado de la actividad eléctrica en el cuero cabelludo, la posición de los electrodos como sea posible. Muchos laboratorios realizan con docenas de electrodos, a veces más de un centenar.

¿Qué es

El EEG se empieza a registrar la actividad eléctrica espontánea del cerebro. Esta actividad espontánea, representado en una tira de papel, viene en forma de «olas», dicen a, b, q, s, etc., Que se distinguen por su frecuencia (algunos hertzios a decenas de hercios).

Una actividad espontánea superponen señales más específica, relacionada con las tareas (cognitivo, sensorial o conducirlo) paciente en particular qu’effectue durante la grabación. Estos son los cambios de los ritmos espontáneos que estudiamos en el método de «potenciales evocados». En este sentido, estimular el tema durante el EEG, por ejemplo, haciéndole escuchar un sonido determinado. Para extraer los potenciales evocados, más o menos enmascarado por la actividad cerebral espontánea, debe haber una media de un gran número de grabaciones realizadas en condiciones idénticas.

Beneficios

La alta resolución temporal, del orden de milisegundos. La relativa simplicidad de los equipos, su bajo costo (alrededor de 300 000 F). La técnica no traumática.

Desventajas

El potencial se mide en la superficie del cráneo, las medidas reflejan la actividad eléctrica en las proximidades de la corteza sólo. Es posible insertar electrodos dentro del cerebro, en profundidad, pero el EEG pierde su inofensivo. En los seres humanos, este método sólo se utiliza como preoperatorio (epilepsia, tumores), más raramente para el tratamiento del dolor intratable determinado.

Además, la medida del potencial en la superficie del cráneo no determina unívocamente el corrientes eléctricas que los generan. Un mapa de un potencial dado son de hecho número matemáticamente posible de distribuciones de corriente en el cerebro. La ubicación de las fuentes, fundamental para el mapeo funcional del cerebro, es muy difícil y poco confiable.

Magneto-encefalografía (MEG)

La idea

Como su nombre indica, la técnica de MEG es registrar los campos magnéticos producidos por el cerebro. Su origen es un misterio, ya que cualquier corriente eléctrica crea un campo magnético. Pero los campos magnéticos del cerebro tienen un valor aproximado de una milmillonésima de Gauss (campo de la Tierra es de 0,5 gauss).

Valores extremadamente bajos que explican que las primeras mediciones de la magnética cerebral no tuvo lugar hasta 1968 (David Cohen, Estados Unidos).

La técnica

Aproximadamente al mismo tiempo, el desarrollo de SQUID por James Zimmerman, Estados Unidos, ha interpuesto una revolución en el campo. Un calamar, un acrónimo de dispositivo superconductor de interferencia cuántica (dispositivo superconductor de interferencia cuántica), es un superconductor hebilla de metal pequeña interrumpido por un aislante en dos lugares. Superconductividad, fenómeno cuántico por excelencia, le da a este tipo de circuitos notables propiedades. En particular, el voltaje a través del SQUID es una función sinusoidal del flujo magnético que pasa a través del bucle. Este dispositivo es extremadamente sensible y puede medir campos muy débiles. Magnetoencefalografía aparato comprende así una matriz de SQUID varios – a veces más de un centenar – refrigerado por helio líquido (- 269 ° C), la temperatura muy baja es necesaria para mantener la superconductividad.

¿En qué medida

Sensores agrupados en un casco, y conectado a SQUID, se acercó al cráneo para detectar los campos magnéticos cerebrales ( ver más abajo contras ). MEG por lo tanto una medida de la intensidad (o gradiente) del campo magnético cerca del cuero cabelludo. La evolución de estas cantidades con el tiempo se controla milisegundo.

Beneficios

El totalmente inocente de MEG, su alta resolución temporal (en el rango de milisegundos). Los defensores de la MEG también argumentan que las señales magnéticas son menos distorsionado que las señales eléctricas de los tejidos atravesados, y por lo tanto reflejar con mayor precisión la actividad cerebral. Pero aún hay debate sobre este punto.

Desventajas

En cuanto a las señales de EEG recogidos no encuentra directa y exclusivamente responsable de los campos comunes. El enfriamiento de helio de líquidos, caro y delicado, es la principal desventaja de MEG. La técnica requiere una habitación más protegido, a salvo de las perturbaciones magnéticas externas.

Estas desventajas explicar la escasez de instrumentos de MEG (uno en Francia, en Rennes, hay un proyecto de un segundo, MEG de 10 millones de francos para la Salpêtrière, París).

La tomografía por emisión de positrones (PET)

La idea

Desarrollado en 1975, la tomografía por emisión de positrones * usos de elementos radiactivos (por ejemplo, 15O) que transforman mediante la emisión de un positrón (o positrones) – el equivalente positivo del electrón. El PET es para localizar estos eventos para asignar una sustancia inyectada en el cuerpo y marcado con tales núcleos atómicos inestables.

El principio

Supongamos que un átomo decae en un momento dado, en alguna parte del cuerpo de un paciente, y emite un positrón. Esta reunión muy rápidamente (después de un viaje que no exceda de unos pocos milímetros) un electrón de los átomos circundantes. El par partícula-antipartícula aniquila y da lugar a dos fotones gamma emitidos simultáneamente en direcciones opuestas.

Los dos fotones pasan a través del cuerpo en una línea recta y golpear dos detectores dispuestos en un anillo alrededor del paciente. Sin embargo, el evento es reconocido sólo si la llegada de los fotones es simultánea o casi: se llama «detección de coincidencia». De lo contrario, los dos fotones detectados podrían provenir de caries independientes, que se produjeron en diferentes lugares y momentos. El par de sensores determina la línea de impacto sobre la que está situado el punto de emisión (fig. 5). Varios decae desde el mismo sitio dar líneas diferentes y su intersección corresponde a la región emisor de luz ( véase más adelante ).

Los datos grabados, que se transmiten a una computadora, equipo someterse a un tratamiento con el fin de visualizar los emisores de positrones regiones. Algoritmos de corrección son necesarios para tener en cuenta la distribución o la absorción de rayos gamma por los tejidos.
La cámara de positrones

Los detectores de rayos gamma están dispuestos en una serie de anillos, formando un cilindro (alrededor de 80 cm de diámetro y 15 cm de largo) alrededor del cuerpo explorado ( ver foto ).

Esta «cámara de positrones» ahora tiene decenas de miles de detectores de rayos gamma individuales. Esquemáticamente, cada uno de estos elementos se compone de un material centelleador (generalmente bismuto germanato BGO) que emite luz visible cuando se recibe un fotón gamma, y ​​un tubo fotomultiplicador que amplifica la señal.

Las imágenes

La resolución de las imágenes de PET obtenido en cerca de 4 mm. El registro de una imagen, que consta de las secciones de 2 mm de espesor, tiene una duración de 1 a 2 minutos cuando el trazador de oxígeno es de 15. Durante este tiempo, la tarea asignada al cerebro del paciente debe ser mantenido de modo que la cantidad física muestra (el flujo sanguíneo local, por ejemplo) es estable.

Los isótopos utilizados en PET

Están formados principalmente por carbono 11, el nitrógeno 13, el oxígeno 15 y el flúor 18. Estos núcleos de desintegración radiactiva β + * , * corto período de tiempo (123 segundos para el oxígeno 15, 110 minutos para el F-18). Ellos están involucrados en las moléculas biológicas (agua, azúcar, los aminoácidos, las drogas, etc.) Que queremos seguir la ruta de acceso y distribución en el organismo.

Imágenes del cerebro utilizando oxígeno 15, incorporado en las moléculas de agua. El paciente se administra justo antes de la TEP, una inyección intravenosa de agua «marcados». Este indicador se difunde en la sangre y llega al cerebro. Mediante la localización de las desintegraciones de los núcleos de oxígeno 15, el PET puede identificar las áreas del cerebro donde mayor flujo de sangre después de la activación sensorial, motriz o cognitiva. Otros marcadores también se utilizan, por ejemplo, un análogo de glucosa marcada con flúor 18 que proporciona acceso al consumo local de glucosa.

La fabricación de isótopos

Los núcleos emisores b + no existen en la naturaleza, los isótopos necesarios para el PET debe ser creado artificialmente. Para este fin, se envía un haz de protones o deuterones, acelerado por un ciclotrón, golpear un objetivo adecuado. Entre los productos de las colisiones son el isótopo deseado (por ejemplo, a través de la reacción deuterón + Æ 14N 15O + neutrones ). Dado el corto período de isótopos, su uso debe ser rápido. Como el laboratorio ciclotrón y radioquímica tiene que estar cerca del aparato de PET.

Desventajas

La infraestructura engorroso explica que las instalaciones de PET son caros (alrededor de 15 millones de francos, incluyendo 5 para el ciclotrón) y otros.

Sólo hay tres en Francia: el CEA SHFJ en Orsay, Cyceron centro de Caen, Lyon CERMEP (una cuarta está prevista en Toulouse). Otro inconveniente es la baja resolución temporal del orden de un minuto, y dentro de unos 15 minutos entre las inyecciones (el tiempo que desaparece la radiactividad del trazador administrado). Además, los rayos gamma podría ser peligrosa para el cuerpo, pero las dosis son muy bajas. Durante un período de PET, que representa de 6 a 12 inyecciones de trazador, la radiación sufrido por el paciente es equivalente a la recibida en un año debido a la radiactividad natural.

Beneficios

Buena resolución de las imágenes en el espacio (4 mm). La relativa simplicidad de experiencias, desde la perspectiva del sujeto. Directo tridimensional naturaleza de las imágenes. Excelente sensibilidad. Esta es también la única técnica para la cual está perfectamente el origen de la señal fisiológica conocida (por ejemplo, el flujo de sangre con el oxígeno 15).

TOMOGRAFÍA emisión de fotón único (SPECT)

El principio

Como el PET, la técnica desarrollada en 1950-1960 utiliza trazadores radioactivos que se ubica. Crucial diferencia: en SPECT (SPECT es la sigla, por emisión de fotón único tomografía computarizada ), la decadencia núcleos radiactivos en juego por la radiación gamma, es decir, emiten un fotón gamma. Los fotones no son emitidos en pares como en PET.

Desventajas

Un solo fotón es emitido por la descomposición, la ubicación del punto de emisión es más difícil: requiere el uso de detectores colimados, aceptando fotones sólo dirigidas correctamente, reduciendo considerablemente la sensibilidad de la técnica. Otro problema es que las correcciones debido a la absorción de los rayos gamma por los tejidos no puede calcularse exactamente como PET (el hecho de que los fotones de PET son emitidos en pares es una información valiosa). Además, los elementos correspondientes a los radioisótopos gamma (xenón 133, yodo 123, tecnecio 99, etc.) No están incluidos en las moléculas biológicas. El marcado de estos cambios, por lo tanto sus propiedades. Además, los radioisótopos gamma tienen un período más largo (varias horas) que los elementos radiactivos utilizados en el PET, no se puede repetir varias veces el procedimiento de imagen. Menos cuantificable que el PET, SPECT, prácticamente no se utiliza para la asignación funcional del cerebro. Sin embargo, es para la cardiología, y cientos de cámaras SPECT están en uso en Francia.

LA resonancia nuclear magnética (RM)

La idea

Esta técnica proporciona imágenes tridimensionales inofensivos mediante la explotación de las propiedades magnéticas de ciertos núcleos atómicos. En concreto, la resonancia magnética utiliza el fenómeno de la resonancia magnética nuclear (RMN), descubierto en 1946 por un equipo de Edward Purcell y Felix Bloch, los Estados Unidos.

La resonancia magnética nuclear

Algunos núcleos atómicos, que de hidrógeno, por ejemplo, vienen con un pequeño momento magnético, es decir, se comportan como un pequeño imán. Estos momentos magnéticos o giros * y tienen varias direcciones posibles. En presencia de un campo magnético, la energía del núcleo varía en función de la orientación del espín. La aplicación de una frecuencia de onda electromagnética adecuado – la frecuencia de resonancia – pueden inclinar los espines de una orientación a otra. La energía es absorbida por los núcleos atómicos, a expensas de la onda incidente.

Para un valor dado de campo magnético aplicado, la frecuencia de resonancia es específica para el núcleo en cuestión, sino que también depende del entorno molecular en el que se encuentra. Pertenece a la gama de frecuencias de radio. Por ejemplo, para el núcleo de hidrógeno (es decir el protón), la frecuencia de resonancia es aproximadamente 42 MHz para un campo magnético de 1 Tesla.

Espectroscopía de RMN

El efecto de RMN fue llevado primero a una técnica espectroscópica ampliamente utilizado en la física y química para el estudio de la materia. Muy esquemáticamente, espectroscopía de RMN se aplica a la muestra estudiada un campo magnético fijo y enviar una onda electromagnética (polarizada circularmente) de frecuencia variable. Como la frecuencia pasa a través de los valores de resonancia, la energía es absorbida. A través de las frecuencias de resonancia medidos, se obtiene información sobre la concentración de núcleos y controlado en el entorno inmediato de esta última.

Las imágenes de RMN

Su origen se remonta a principios de 1970 (primeras imágenes de RMN de un animal vivo: Paul Lautebur en 1974, los Estados Unidos). Para obtener una imagen, la idea es, muy esquemáticamente, para aplicar un campo magnético variable en el espacio, de modo que el valor de los cambios de frecuencia de resonancia de un punto a otro del objeto estudiado. Con una onda de frecuencia fija, sólo una región de resonancia y por lo tanto proporcionar una señal. Al desplazar el campo magnético, una región diferente se acercará a la sonda de resonancia y por tanto es otra área del objeto. La señal magnética emitida por los núcleos justo después de la resonancia es detectada por las bobinas conductoras, a través de la fuerza electromotriz se crea en el mismo. Un tratamiento por ordenador permite entonces para sintetizar todas las señales recogidas y construir una imagen tridimensional (presentada en rebanadas sucesivas).

La resonancia magnética anatómica

En la medicina, a menudo se aplica a la RMN de hidrógeno núcleos, elemento abundante en agua y grasas de los tejidos biológicos. Es la estructura anatómica que se visualiza también, y se conoce como anatómica RMN (AMRI).

Resonancia magnética funcional

Con el desarrollo de la adquisición de tecnología ultrarrápida y procesamiento de datos, fue posible obtener imágenes de la RMN en el tiempo lo suficientemente corto (de hasta 0,02 segundos) para controlar ciertos aspectos del metabolismo. Esto se conoce como resonancia magnética funcional (fMRI). Imágenes del cerebro, la resonancia magnética se aplica a la hemoglobina, cuyas propiedades magnéticas difieren ligeramente dependiendo de si la molécula se une al oxígeno o no. A continuación, accede a la actividad del cerebro mediante la producción de imágenes que se muestra el contraste entre regiones ricas en la oxihemoglobina (aumento del flujo sanguíneo) y el flujo normal de sangre a las regiones.

Beneficios

Señal intrínseca al cuerpo (sin introducción de extranjeros marcador), la seguridad de radiofrecuencia radiación, alta resolución espacial (menos de un milímetro en la resonancia magnética funcional de la micra de AMRI). Una mejora significativa en la resolución de tiempo en comparación con el PET (menos de un segundo).

Desventajas

La amplitud de la señal de RMN es baja, y esta técnica requiere imanes fuertes, tan pesados, voluminosos y muy costoso. El precio de un aparato de MRI es entre la mitad y veinte millones de francos, el equipo más caro es capaz de resonancia magnética funcional. Escáneres de resonancia magnética son tan comunes hoy en día como escáneres X. Pero no funcionales escáneres de resonancia magnética (sólo treinta en el mundo).

Otra desventaja: la incomodidad de los pacientes sometidos a resonancia magnética. El sujeto se mantiene dentro de un tubo estrecho, y se somete a un ruido significativo producido por los dispositivos que proporcionan altos impulsos electromagnéticos de velocidad.

Maurice Mashaal (1996)

Y los animales?

Para estudiar cómo el sistema nervioso, también hay muchos métodos aplicables en animales, pero no los seres humanos, excepto bajo circunstancias muy específicas (antes o durante la cirugía, o tejido extirpado durante una operación).

Estas técnicas son esencialmente de dos tipos: ópticos y electrofisiológicos. Ellos proporcionan el acceso a los detalles muy finos del funcionamiento del tejido nervioso en el nivel celular (que no proporcionan detalles, por ahora, las técnicas de resonancia magnética, PET, etc., Aplicable a los seres humanos) .

Uno puede, por ejemplo, bajo observación directa a la luz visible o infrarroja, la superficie de la corteza cerebral después de retirar una pieza del cráneo.

La actividad del cerebro ( a través de cambios en el flujo sanguíneo, el grado de oxigenación de la sangre, etc.) modifica ligeramente las propiedades ópticas (luz absorbida, dispersada o reflejada) del tejido nervioso. También puede añadir colores para acentuar los contrastes, o para visualizar la actividad eléctrica (electricidad tintes sensibles potenciales).

Las técnicas ópticas también se puede aplicar al estudio de rodajas de cerebro mantiene viva en soporte de vida. Con un microscopio, entonces visualizar directamente la actividad de una neurona.

En cuanto a los métodos electrofisiológicos, ya que consisten en el registro del EEG el potencial eléctrico con electrodos o microelectrodos.

En los animales, los electrodos pueden ser implantados profundamente en el cerebro (que destruye el tejido nervioso situado en el camino de electrodos). Los electrodos se han miniaturizado hasta el punto de que es posible recoger el nivel de la señal eléctrica de unas pocas neuronas, una neurona individual, o sub-estructuras de una neurona.

La naturaleza traumática de las técnicas mencionadas aquí dice que no pueden ser utilizados en neuromogie humano excepto en el contexto de la cirugía del cerebro.

Crédito para el cerebro

En auge, la investigación en neurociencias se estructura – y encontrar formas de financiación – a través de varios programas.

Internacionalmente, la Human Frontier Science Program se lanzó en 1989 en Estrasburgo. Este año, con las contribuciones de los países del G7 (los siete países más industrializados), la Unión Europea y Suiza, cuenta con 46 millones, se convirtió en 215 subvenciones cuya tercera términos de neurobiología (laboratorios solicitantes deben justificar una colaboración con un laboratorio extranjero).

El proyecto cerebro humano es, a su vez, exclusivamente americano. Apoya la investigación y el desarrollo de tecnologías avanzadas desde 1993, cuando un comité de preguntas de carácter científico puso el dedo donde más le duele: los neurobiólogos están ahogando en un océano de información. Por lo tanto el proyecto de crear una red de intercambio de verdadera integración de datos múltiples en el cerebro. Medio centenar de investigadores en ciencias de la computación, matemáticas aplicadas, estadísticas y mucho más., Y reciben subvenciones, por un total de $ 1,1 millones, como parte de este proyecto liderado por dieciséis agencias federales (1).

En Francia, el CEA, INRIA (Instituto Nacional para la Investigación en Ciencias de la Computación y Control), el CNRS y el Ministerio de Educación Nacional, Enseñanza Superior e Investigación ha creado un fondo común de cinco millones de francos gestionado por el consorcio científico de la ciencia cognitiva y la neurociencia específicamente para (2).

Por último, el Parlamento Europeo BIOMED II es el más reciente de estos proyectos de subvención, ya que sin duda será el día que al final del año. Si no se limita a la investigación del cerebro, sin embargo, que dedica el 12% de un presupuesto de 36 millones de euros (250 millones de francos).

SC

(1) El Proyecto Cerebro Humano en Internet: http://www-hbp.scripps.edu/Home.html

(2) Una comparación internacional de los importes asignados a la investigación siempre es difícil: los salarios de los investigadores y los costos locales están incluidos en los planes de Estados Unidos, ya que no se encuentran en Francia.

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