Esquema del mapeo cerebral

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

Mapeo cerebral : conjunto de técnicas neurocientíficas basadas en la representación espacial de cantidades o propiedades (biológicas) del cerebro (humano o no humano), lo que da 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, biología molecular y optogenética, biología celular y de células madre, ingeniería (de materiales, eléctrica y biomédica), neurofisiología y nanotecnología.

Amplio alcance

La doctrina neuronal

Doctrina neuronal : un conjunto de observaciones elementales cuidadosamente elaboradas sobre las neuronas. Para obtener información más detallada, actualizada y sobre temas más avanzados, consulte la sección sobre el nivel celular.
Afirma que las neuronas se incluyen dentro de la teoría celular más amplia , que postula:
- Todos los organismos vivos están compuestos por 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 que se pueden diferenciar de otros tejidos del cuerpo.
- Las neuronas difieren en tamaño, forma y estructura según su ubicación o especialización funcional.
- Cada neurona posee un núcleo, que es el centro trófico de la célula (la parte que debe recibir nutrientes). Si la célula se divide, solo sobrevivirá la porción que contiene el núcleo.
- Las fibras nerviosas son el resultado de procesos celulares y de prolongaciones de células nerviosas. (Varios axones se unen para formar una fibrilla nerviosa. Véase también: Neurofilamento . Varias fibrillas nerviosas forman luego una fibra nerviosa grande. La mielina , un aislante eléctrico, se forma alrededor de axones seleccionados.
- Las neuronas se generan por división celular.
- Las neuronas se conectan mediante puntos de contacto y no a través de la continuidad citoplasmática. (La membrana celular aísla el interior de la célula de su entorno. Las neuronas no se comunican mediante contacto directo entre las células del citoplasma).
- Ley de polarización dinámica. Si bien el axón puede conducir en ambas direcciones, en los tejidos existe una dirección preferida de transmisión de célula a célula.
Elementos añadidos posteriormente a la doctrina inicial de Neuron.
- Existe una barrera para la transmisión en el punto de contacto entre dos neuronas que puede permitir la transmisión. (Sinapsis)
- Unidad de transmisión. Si se establece contacto entre dos células, dicho contacto puede ser excitatorio o inhibitorio , pero siempre será del mismo tipo.
- Según la ley de Dale, cada terminación nerviosa libera un único tipo de neurotransmisor.
Algunos de los postulados básicos de la doctrina neuronal han sido posteriormente cuestionados, refutados o actualizados. Consulte la sección sobre el nivel celular para obtener información adicional.

Proyectos de mapas, atlas y bases de datos

Proyecto de mapeo de la actividad cerebral : proyecto de 3 mil millones de dólares de los NIH (Institutos Nacionales de la Salud) de 2013 para mapear cada neurona del cerebro humano en diez años, basado en el Proyecto Genoma Humano.

Iniciativa de los NIH para la investigación cerebral mediante el avance de neurotecnologías innovadoras (BRAIN).
Sitio de divulgación comunitaria para lo anterior donde el público puede hacer comentarios

Proyecto Cerebro Humano (UE) : proyecto de 1.000 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 Proyecto Cerebro Humano (HBP).

Proyecto Conectoma Humano – Proyecto de 2009 de los NIH (Institutos Nacionales de la Salud) con un presupuesto de 30 millones de dólares para crear un mapa de la red neuronal del cerebro humano, incluyendo elementos estructurales (anatómicos) y funcionales. Se hizo especial hincapié en la investigación sobre la dislexia, el autismo, la enfermedad de Alzheimer y la esquizofrenia. Véase también Conectoma : un mapa exhaustivo de las conexiones neuronales del cerebro.
Atlas cerebral de Allen : proyecto de 2003 con un presupuesto de 100 millones de dólares financiado por Paul Allen (Microsoft).
BrainMaps : base de datos del Instituto Nacional de la Salud (NIH, por sus siglas en inglés) que incluye 60 terabytes de escaneos de imágenes de primates y no primates, integrados con información sobre estructura y función.
NeuroNames define el cerebro en términos de aproximadamente 550 estructuras primarias (alrededor de 850 estructuras únicas ) con las que se relacionan todas las demás estructuras, nombres y sinónimos. Se incluyen unos 15 000 términos neuroanatómicos con índice cruzado, incluyendo numerosos sinónimos en siete idiomas. La cobertura abarca el cerebro y la médula espinal de las cuatro especies más estudiadas por los neurocientíficos: humanos, macacos (monos), ratas y ratones. 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 su facilidad de pronunciación, valor mnemotécnico y frecuencia de uso en publicaciones neurocientíficas recientes. Se incluye la relación de cada estructura con sus superestructuras y subestructuras. El vocabulario controlado es idóneo para indexar de forma unívoca información neuroanatómica en bases de datos digitales.
La promoción del Decenio del Cerebro 1990-1999 por parte de los NIH y la Biblioteca del Congreso tenía como objetivo "aumentar la conciencia pública sobre los beneficios derivados de la investigación cerebral". Las comunicaciones se dirigieron a los miembros del Congreso, sus equipos y al público en general para promover la financiación.
Atlas de Talairach (véase Jean Talairach)
Atlas del cerebro completo de Harvard (ver cerebro humano)
Plantilla MNI (véase 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 ( Instituto Nacional de Salud de 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, por sus siglas en inglés) es una sociedad internacional dedicada a utilizar la neuroimagen para descubrir la organización del cerebro humano.

Sistemas de imagen y grabación

Esta sección abarca los sistemas de imagen y registro. La sección general cubre la historia, la neuroimagen y las técnicas para mapear conexiones neuronales específicas. La sección de sistemas específicos abarca las diversas tecnologías específicas, incluidos los sistemas de imagen y registro experimentales y de uso generalizado.

General

La mayoría de los estudios de imagen realizados hasta la fecha sobre neuronas individuales se han llevado a cabo fuera del cerebro, generalmente en neuronas grandes, y con frecuencia han sido destructivos. Sin embargo, están surgiendo rápidamente nuevas técnicas. Busque "Imagen de neuronas individuales" y consulte temas relacionados: Modelo biológico de neuronas , Registro de unidades individuales , Oscilación neuronal , Neurociencia computacional . La dMRI (arriba) también resulta prometedora para la obtención de imágenes no destructivas de neuronas individuales dentro del cerebro.
Historia de la neuroimagen (redirige desde Escáner cerebral)
Neuroimagen (redirige desde el mapa de funciones cerebrales)
Conectómica : técnica de mapeo que muestra las conexiones neuronales en un sistema nervioso.

Sistemas específicos

Mapeo de la estimulación cortical
La resonancia magnética de difusión (RMd) incluye la imagen por tensor de difusión (ITD) y la resonancia magnética funcional de difusión (RMfD) . La RMd representa un avance reciente en el mapeo cerebral, ya que permite visualizar las conexiones entre diferentes regiones anatómicas del cerebro. Permite obtener imágenes no invasivas de la estructura de las fibras de la sustancia blanca y, además del mapeo, puede ser útil en la observación clínica de anomalías, incluyendo el daño causado por un accidente cerebrovascular.
Electroencefalografía (EEG): utiliza electrodos en el cuero cabelludo y otras técnicas para detectar el flujo de corrientes eléctricas.
Electrocorticografía – electroencefalograma intracraneal – 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)
Procesamiento de imágenes médicas (investigación cerebral que conduce a usos médicos y quirúrgicos de la tecnología de mapeo)
Neuroestimulación (en investigación, la estimulación se utiliza frecuentemente junto con técnicas de imagen).
La tomografía por emisión de positrones (PET) es una técnica de imagen médica nuclear que produce una imagen tridimensional de los procesos funcionales del cuerpo. El sistema detecta pares de rayos gamma emitidos indirectamente por un radionúclido emisor de positrones (trazador), que se introduce en el cuerpo unido a una molécula biológicamente activa. Mediante análisis informático, se reconstruyen imágenes tridimensionales de la concentración del trazador en el organismo. En los escáneres modernos, la obtención de imágenes tridimensionales suele realizarse con la ayuda de una tomografía computarizada (TC) realizada al paciente en la misma sesión y con el mismo equipo.

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 el flujo sanguíneo cerebral hacia esa área. La resonancia magnética funcional se realiza mediante la detección de la señal BOLD.
La resonancia magnética funcional relacionada con eventos puede utilizarse para detectar cambios en la respuesta hemodinámica dependiente del nivel de oxígeno en sangre (BOLD) a la actividad neuronal en respuesta a determinados eventos.

Eléctrico

Potencial evocado : respuestas positivas y negativas de 10 μ a 100 μ voltios (μ es millonésima), medidas mediante electrodos no invasivos adheridos al cuero cabelludo, que son resultados fiables y repetibles de un 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 sensoriales (en contraposición a estímulos cognitivos o motores). Las secuencias de oscilación de voltaje se registran y se clasifican en positivas y negativas, y según el tiempo transcurrido desde el estímulo hasta su observación. Por ejemplo, [N100] es una oscilación negativa observada entre 80 y 120 milisegundos (100 es 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, etc. Véase: N100 (neurociencia) , N200 (neurociencia) , P300 (neurociencia) , N400 (neurociencia) , P600 (neurociencia) . Las primeras oscilaciones negativas y positivas (véase 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

La magnetoencefalografía (MEG ) es una técnica para mapear la actividad cerebral mediante el registro de campos magnéticos producidos por corrientes eléctricas que ocurren naturalmente en el cerebro, utilizando magnetómetros de alta sensibilidad. En investigación, el uso principal de la MEG es la medición de la evolución temporal de la actividad. La MEG puede detectar eventos con una precisión de 10 milisegundos o más, mientras que la resonancia magnética funcional (RMf), que depende de los cambios en el flujo sanguíneo, puede detectar eventos con una precisión máxima de varios cientos de milisegundos. La MEG también localiza con precisión las fuentes en las áreas auditivas, somatosensoriales y motoras primarias. Para crear mapas funcionales de la corteza cerebral humana durante tareas cognitivas más complejas, la MEG se combina con mayor frecuencia con la RMf, ya que ambos métodos se complementan. Los datos neuronales (MEG) y hemodinámicos (RMf) no necesariamente coinciden, a pesar de la estrecha relación entre los potenciales de campo locales (PCL) y las señales dependientes del nivel de oxigenación sanguínea (BOLD).

Radiológico

Radionúclido emisor de positrones (trazador). Véase tomografía por emisión de positrones.
Altanserina : un 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 : una rama interdisciplinaria de la ciencia que se ocupa principalmente de la visualización de fenómenos tridimensionales (incluidos los médicos, biológicos y otros), donde el énfasis recae en representaciones realistas de volúmenes, superficies, fuentes de iluminación, etc., posiblemente con un componente dinámico (temporal). Se considera una rama de la informática, un subconjunto de los gráficos por computadora. El mapeo cerebral es uno de los principales beneficiarios de los avances en visualización científica.
Detección de blobs : un área de la visión por computadora. Un blob 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 de valores preestablecido; todos los puntos de un blob pueden considerarse, en cierto sentido, similares entre sí.

Tecnologías de la información

Determinar el número de clústeres en un conjunto de datos : una aplicación típica se encuentra en la reducción de datos: dado que el aumento de la resolución temporal de los experimentos de resonancia magnética funcional (RMf) produce habitualmente secuencias de RMf que contienen varios cientos de imágenes, a veces es necesario recurrir a la extracción de características para reducir la dimensionalidad del espacio de datos.
Anisotropía fraccional (FA ): una medida frecuentemente utilizada en imágenes de difusión, donde se cree que refleja la densidad de fibras, el diámetro axonal y la mielinización en la sustancia blanca. La FA es una extensión del concepto de excentricidad de secciones cónicas en tres dimensiones, normalizada a la unidad de rango. La anisotropía es la propiedad de depender de la dirección, a diferencia de la isotropía, que implica propiedades idénticas en todas las direcciones.
Modelo lineal general : un modelo lineal estadístico. Se puede escribir como Y = XB + U, donde Y es una matriz con una serie de mediciones multivariadas, X es una matriz que podría ser una matriz de diseño, B es una matriz que contiene parámetros que generalmente se estiman, y U es una matriz que contiene errores o ruido. Se utiliza frecuentemente en el análisis de múltiples escáneres cerebrales en experimentos científicos, donde Y contiene datos de escáneres cerebrales y X contiene variables de diseño experimental y factores de confusión. Véase también: mapeo paramétrico estadístico.
Remuestreo (estadística): véase la sección sobre pruebas de permutación. Las pruebas de permutación no paramétricas se utilizan en resonancia magnética funcional (fMRI).

Paquetes de software

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

Científicos, académicos e investigadores

Mark S. Cohen, neurocientífico y profesor de la UCLA. Pionero en el campo de la neuroimagen funcional mediante resonancia magnética (RM).
Anders Dale es neurocientífico y profesor de la Universidad de California en San Diego. Desarrolló FreeSurfer, un software de análisis de imágenes cerebrales 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, y está especializada en neuropsicología y lingüística.
Karl J. Friston , neurocientífico británico y autoridad en neuroimagen. Inventor del mapeo paramétrico estadístico.
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, es conocido por sus contribuciones en el campo del mapeo del cerebro humano mediante 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 resonancia magnética funcional (fMRI).
Robert Livingston (científico) (9 de octubre de 1918 – 26 de abril de 2002) fue un 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 se centró en el mapeo computarizado y la obtención de imágenes del cerebro humano. Su interés por el cerebro también abarcó cuestiones de cognición, conciencia, emociones y espiritualidad.
Helen S. Mayberg es profesora de neurología y psiquiatría en la Universidad de Emory. Su especialización incluye la identificación de la función cerebral anormal en pacientes con depresión mayor mediante neuroimagen funcional.
Geraint Rees, director de la Facultad de Ciencias del Cerebro del 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 es subdirector del Centro Cubano de Neurociencia, del cual es cofundador desde 1990. Su especialización abarca el análisis estadístico de mediciones electrofisiológicas, neuroimagen (resonancia magnética funcional, electroencefalografía y magnetoencefalografía), modelado dinámico no lineal de funciones cerebrales, incluyendo el desarrollo de software y equipos electrofisiológicos. Es miembro de los consejos editoriales de NeuroImage , Medicc, Audiology and Neurotology, PLoS One y Brain Connectivity.
Robert Turner es director del Instituto Max Planck de Ciencias Cognitivas y Cerebrales Humanas en Leipzig, Alemania, y está especializado en física cerebral e imágenes por resonancia magnética (IRM). Se le atribuye el diseño de las bobinas que se encuentran dentro de todos los escáneres de IRM.
Arno Villringer, director del Instituto Max Planck de Ciencias Cognitivas y Cerebrales Humanas en Leipzig, Alemania.

Revistas

Véase también

Referencias