Un atlas del cerebro en el Internet

Su actualización permanente es una empresa colectiva e internacional
Un atlas del cerebro en el Internet

Los mapas del cerebro se acumulan en el ordenador de los laboratorios de los recuerdos. Pero las técnicas que los producen pueden ser muy diferentes protocolos y la adquisición de la imagen no homogéneas. Cómo aprovechar al máximo el crecimiento exponencial de los datos? ¿Cómo comparar las imágenes a sabiendas de que todo cerebro humano es diferente de otra anatómicamente es factible? La definición de un espacio ideal del cerebro, creando un entorno adecuado y su instalación en Internet tratando de satisfacer las expectativas de los investigadores.

En nuestras actividades diarias de la percepción, la comprensión y el movimiento, nuestro cerebro de forma continua la cartografía del mundo circundante. Un conjunto de áreas cerebrales altamente especializadas extraer las propiedades de los objetos percibidos – forma, color, ubicación, movimiento, sonido, etc. Algunas regiones son responsables de la percepción, mientras que otros preparar el movimiento y proporcionar consecuencias. Todavía no conocemos todas las áreas funcionales del cerebro, pero, de acuerdo con una hipótesis de Michael I. Posner, un área funcional particular del cerebro permite que cada operación elemental de procesamiento de la información (1). Complejas operaciones mentales (como la lectura de esta página) requieren la actividad integrada de decenas o incluso cientos de asambleas locales de las neuronas. Dada esta complejidad extrema, la disponibilidad de mapas precisos, detallados y con los últimos resultados, es una necesidad absoluta para todos los especialistas.

La neuroimagen funcional ha hecho un progreso espectacular en diez años. Hay unos cuantos años más, la anatomía macroscópica de un cerebro humano vivo era imposible. Hoy en día, la imagen anatómica puede distinguir in vivo de los detalles estructurales que anteriormente sólo eran visibles bajo el microscopio. Más importante aún, pueden desarrollar un mapeo espacial, así como la función cerebral temporal. Como muchos artículos de este número, los cartógrafos de hoy puede elegir entre diferentes técnicas: tomografía por emisión de positrones (PET), resonancia magnética funcional (fMRI), magnetoencefalografía (MEG), potenciales evocados (PE) y otras tecnologías prometedoras en desarrollo. En consecuencia, el volumen de conocimientos sobre la organización funcional del cerebro humano se ha convertido en un considerable.

Para hacer frente a esta enorme cantidad de información, nos hemos trazado el cerebro humano que se actualiza continuamente. Este atlas del cerebro llamada BrainMap ™.

BrainMap ™ es en realidad un entorno informático para recoger y comparar los mapas funcionales del cerebro humano obtenidas con las técnicas actuales de investigación de neuroimagen (2.3). Diseñado por nosotros mismos en el Centro de Ciencias de la Salud de la Universidad de San Antonio (Texas), BrainMap ™ está destinado principalmente a los especialistas. Sin embargo, también está disponible para médicos, maestros e incluso los simples curiosos, en definitiva, todos aquellos que quieran aprender más sobre el cerebro. El entorno informático BrainMap ™ consiste en una base de datos relacional y una serie de herramientas necesarias para conseguir, obtener, ver e interpretar los datos sobre el trabajo de imagen cerebral. La evolución reciente permite incluso crear un modelo detallado de los patrones de actividad de acuerdo a paradigmas que aún no se han probado.

La base de datos BrainMap ™ se encuentra en el Imaging Research Center en San Antonio, en una estación de trabajo (Sun SPARCstation 20) basado en Unix y conectado a Internet. BrainMap ™ está disponible en la red a través de la interfaz de herramientas BrainMap ™. La forma más sencilla de acceder a BrainMap ™ es utilizar un navegador de World Wide Web. Las imágenes del cerebro de modernas técnicas de imagen son en realidad conjuntos de números correspondientes a las diversas cuestiones planteadas en las tres dimensiones del espacio. La cantidad de detalles en una imagen del cerebro está determinado por el tamaño de los voxels (elementos de volumen) que constituyen la imagen tridimensional. Debido a que el cerebro tiene un volumen de unos 20 cm (longitud) x 15 cm (ancho) x 15 cm (altura), una imagen del cerebro con una resolución de 1 mm3 contiene aproximadamente 4,5 millones voxels.

Para lograr una asignación funcional del cerebro, se comparan las imágenes correspondientes, en primer lugar, las tareas complejas y, en segundo lugar, a las sentencias de control más simples. Este curso de doble de la cantidad total de datos. Cuando se graba varios estados y varias tareas de control (que es a menudo el caso), el volumen de datos aumenta de forma proporcional. Finalmente, por razones de fiabilidad, la cartografía de las operaciones del cerebro a menudo se repiten en cada tema, y ​​luego reproducido en decenas de personas. Causar un aumento adicional en la cantidad de datos …

Así, en imágenes del cerebro, la publicación de un artículo basado en típica de varios gigabytes (1 x 10 9 bytes) de datos. Teniendo en cuenta este enorme volumen, la difusión de los datos en bruto a través de Internet es demasiado lenta para ser eficaz. BrainMap ™ resuelve el problema mediante la limitación de su contenido a los metadatos: datos sobre los datos.

Metadatos BrainMap ™ incluyen descripciones detalladas de las condiciones de comportamiento (es decir, las tareas cognitivas) estudiados y los estados de control que permitió la comparación. Las técnicas de imagen utilizadas se describen con detalle. Los sujetos se describen en detalle: edad, sexo, uso de las manos o no, la raza y el diagnóstico. Se hace mención de los investigadores y los gestores de laboratorio, así como referencias de su publicación. Finalmente, los resultados del estudio se exponen, a menudo con más detalle que es posible en virtud de un artículo impreso tradicional. Esta profusión de detalles es posible a través del poder de almacenamiento de equipo y un esquema de codificación anatómica muy concisa, inventado por el parisino Jean Talairach neurocirujano.

Jean Talairach fue uno de los primeros en ver la anatomía del cerebro, aunque, sin duda, varía de un individuo a otro, tiene pautas suficientes para ser descritos por las coordenadas cartesianas. Para definir los detalles anatómicos, en primer lugar dar dirección a las imágenes cerebrales normales de diferentes temas. Así pues, se hace referencia a todos un origen y los ejes de coordenadas comunes. Las imágenes del cerebro se reduce a una forma idéntica, por una norma arbitraria desarrollado por Jean Talairach (4,5). Una vez que el cerebro espacialmente normalizado, una localización anatómica de cualquier cerebro puede ser identificado por tres números: X, Y y Z de este punto. Antes de la técnica de Talairach, no se pudo determinar una localización anatómica que, en forma descriptiva, mediante la visualización de los límites estructurales y sus relaciones con las estructuras cerebrales vecinas.

En efecto, cuando sólo tiene anatomía superficial de los surcos y circunvoluciones, la forma más eficaz para indicar una ubicación es proporcionar una imagen. Como se mencionó anteriormente, las imágenes cerebrales obtenidas con las técnicas actuales son demasiado pesado para ser colocado en una red de ordenadores. Técnica de Talairach elimina la necesidad de visualizar la anatomía de la persona y para especificar los informes basados ​​en la localización de una apretada síntesis increíbles tres números son suficientes para describir a una ubicación específica en el cerebro.

La precisión de las coordenadas Talairach para la ubicación de las estructuras cerebrales, sin embargo, ha sido objeto de debate. Durante años, los estudiosos han argumentado que las variaciones morfológicas de un cerebro a otro (por ejemplo, número y tamaño de las circunvoluciones y surcos) eran demasiado grandes para el método geométrico de Talairach puede realizar. A pesar de esta objeción está todavía vivo, el poder de los actuales algoritmos de morphing implica la aceptación de todos los especialistas, con la excepción de los partidarios acérrimos de la anatomía tradicional. Este tipo de algoritmos es bien conocido por los fans de efectos especiales en películas o en la televisión. El lector se apreciarán las capacidades de la informática moderna para un cerebro cambiar y darle una forma y un tamaño estándar. Más interesante, se puede considerar la posibilidad de esta transformación a la inversa, se aplica a los sujetos individuales los conocimientos obtenidos a través de la transformación de la información y la fusión de miles de trabajos anteriores.

En el espacio cerebral «ideal» de Talairach, ponemos las observaciones estructurales y funcionales. Estos pueden corresponder a los promedios de varios cerebros a los efectos individuales, o incluso la probabilidad de que una función específica o de la estructura se encuentra en las coordenadas específicas. Todos los comentarios son identificados en el marco espacial misma, juntos constituyen un modelo tridimensional del cerebro humano que son continuamente actualizados por los propios investigadores (6).

De hecho, BrainMap ™ fue el primer ordenador del modelo del cerebro humano para ser desarrollado colectivamente. Estamos desarrollando una herramienta complementaria, el mapa de estructura de probabilidad (SPMap), que da la probabilidad de la ubicación de la estructura en este espacio (7). De este modo, BrainMap SPMap ™ y revolucionando el concepto de atlas del cerebro. En lugar de un atlas impreso que ilustra un solo tema o un diseño individual del «cerebro ideal», estas herramientas indican los lugares y las fronteras – funcionales, así como estructural – proporcionado por el trabajo de la neuroimagen a cabo en miles de temas. El concepto de modelo acumulativo del cerebro, implícita en el uso de espacio de Talairach y claramente formulados, para él allí casi treinta años, se ha convertido en un ordenador real.

Para aquellos de nosotros que aún pueden pensar que la morfología general es la conceptualización más intuitiva de la anatomía del cerebro, hemos desarrollado una herramienta de identificación, el demonio de Talairach: instantáneamente define el subconjunto el espacio de Talairach saltando todos los núcleos, el giro, los cables o cytoarchitectonique región. Pronto estará disponible para el uso interactivo para ser incorporados en las aplicaciones desarrolladas por los usuarios.

Con estas guías de equipo, cada uno puede explorar el espacio de Talairach. También debe tenerse en cuenta que estas herramientas más integrar eficazmente la terminología tradicional en el espacio de Talairach. Resolviendo conflictos con los tradicionalistas neuroanatomistas, que permiten a todos disfrutar de los beneficios del concepto de Talairach.

Si los mapas funcionales numerosas y detalladas del cerebro que son estructura-función de mapeo es sólo un primer paso hacia la comprensión de las complejidades del cerebro. Podemos considerar que el cerebro en muchos otros ángulos. Sólo teniendo en cuenta todos los puntos de vista posibles y la armonización de los que vamos a llegar a la meta.

El tiempo, por ejemplo, es una dimensión fundamental de la cognición y la función cerebral. El trabajo de imagen sólo están empezando a explorar. Si nuestros pensamientos parecen instantánea, que en realidad tienen una vida, como la música. Entre el momento de dirigir sus ojos a lo que ITV y cuando usted entiende el significado, se tarda unos 300 milisegundos. Incluso esta simple pensamiento se produce a través de la actividad secuencial de docenas de áreas especializadas. Cuando la imagen de estos procesos mentales se hace con PET o fMRI, la secuencia se comprime: cada región se ve como si era activa al mismo tiempo. Supongamos que usted oye una puntuación de jugador en un instante: la belleza y la armonía de la música desaparecería!

Cronometría de pensamiento – la armonía de nuestra música mental – puede ser detectado por los potenciales evocados (PE) y la magnetoencefalografía (MEG). Estos métodos, temporalmente precisas, por desgracia, no tienen la resolución espacial de la tomografía PET, resonancia magnética y otros. El Laboratorio de clave del mundo de imágenes cerebrales han comenzado a establecer mapas funcionales en cuatro dimensiones (espacio en el tiempo), a través de la utilización conjunta de las técnicas más relevantes. A medida que cada impone restricciones diferentes en el ambiente físico necesario para la adquisición de datos, una revisión que incluya dos técnicas (o más) normalmente se hace secuencialmente, no simultáneamente.

Si este método optimiza los datos obtenidos con cada método, plantea varios desafíos a superar en la creación de mapas en cuatro dimensiones.

Los dos problemas principales son:

1) la alineación y la superposición de varios tipos de imágenes;

2) la creación de paradigmas experimentales cognitivas que se pueden hacer en diferentes circunstancias debido a las diferentes técnicas, mientras que la activación de la misma región del cerebro de forma fiable (8).

A pesar de estos obstáculos, el reto se cumplió, como lo demuestra un estudio reciente Heinse y sus colegas en la Universidad de California en San Diego. El equipo de desarrollo BrainMap ™ ha respondido a esta tendencia mediante la ampliación de su base de datos para incluir los estudios de Educación Física y MEG.

El proceso de integración comienza con la inclusión de cuatro dimensiones (tiempo y espacio). Cada área del cerebro está conectada a cientos de otros. Durante una tarea, lo que sea, algunas conexiones están activas, otras no. La conectividad anatómica y funcional es otro aspecto del cerebro cuyo estudio apenas está comenzando. Las áreas del cerebro se diferencian en el tipo de neuronas y su cableado local (intra). Las autopsias del cerebro humano proporcionará tarjetas de microanatomiques detallados, los cuales también deben ser tenidos en cuenta en una visión global del cerebro. Por último, el cerebro codifica y transmite la información a través de mediadores químicos numerosos. La técnica de la educación física y otros métodos de radiografía producir mapas regionales de los neurotransmisores que con el tiempo se transformaría en el espacio de Talairach y se integran en el medio ambiente BrainMap ™.

Técnica en Informática de imágenes, mapas y modelos del cerebro han supuesto una revolución en las neurociencias. El conocimiento sobre la función del cerebro está creciendo exponencialmente. El próximo gran reto será el de sintetizar toda esta información para llevar a mapas y modelos que convierten los datos en conocimiento. Por una ironía del destino, la computadora nos permitirá tal vez para comprender la mente humana.

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