Explorando el Cerebro: Un Análisis Comparativo entre Potenciales Relacionados con Eventos (PRE) y Resonancia Magnética Funcional (RMf)

El interés por entender el cerebro, su funcionamiento y bases estructurales no es apenas actual; en el intento de dar una explicación a este interés han surgido en la historia diversas teorías. Actualmente, el estudio de las funciones cerebrales se beneficia enormemente del desarrollo de técnicas de neuroimagen, entre las que destacan el Electroencefalograma (EEG), los Potenciales Relacionados con Eventos (PRE) y la Resonancia Magnética Funcional (RMf).

La Evolución de la Comprensión de la Función Cerebral

Una de esas teorías iniciales fue el localizacionismo puro o la teoría de “mapas frenológicos”, propuesta a principios del siglo XIX por, entre otros, Franz Joseph Gall y Karl Kleist. Esta teoría planteaba que las funciones cerebrales superiores se podían localizar en áreas específicas del cerebro. Paul Brocca determinó que cuando se produce una alteración importante en la articulación del lenguaje, la causa es una lesión en el tercio posterior del giro frontal inferior del cerebro, y postuló “el centro de las imágenes motoras de las palabras”.

A pesar de las bases clínicas, Constantin von Monakow y Kurt Goldstein pusieron en duda la veracidad de los mapas frenológicos sin negar que la audición, la visión, el movimiento y la sensación cutánea están representadas en áreas específicas de la corteza; surge entonces la teoría de la equipotencialidad o integralidad o voces noéticas de los procesos mentales, que establece que todo tejido neural participaba de manera conjunta ante una tarea cognitiva. Esta, al igual que la frenología, pierde valor.

Cuando se habla de función cerebral superior, esta debe entenderse como un sistema funcional complejo y no como una función aislada. Al cambiar el concepto de función cerebral a sistema funcional complejo, las funciones no pueden localizarse en zonas restringidas de la corteza cerebral o en grupos de células aislados, “sino que deben estar organizados en sistemas de zonas que trabajan armónicamente, cada una de las cuales ejerce su papel dentro del sistema funcional complejo, y que pueden estar situadas en áreas completamente diferentes, y a menudo, muy distantes del cerebro". Por ejemplo, para realizar una actividad cognitiva como leer se requiere de varios componentes cerebrales, como:

• control inhibitorio del comportamiento y la atención, ejecutado por los lóbulos frontales,
• análisis visual que permita el reconocimiento y discriminación de los grafemas y palabras, actividad que ejecuta el lóbulo occipital,
• discriminación de grafemas similares y el espacio dentro de la hoja, ejecutado por áreas temporo-parieto-occipitales, y
• comprensión del sentido y signos de puntuación, ejecutado por los lóbulos frontales, etc.

Para definir los componentes de cada actividad cognitiva Luria propuso el concepto de “factor”, que permite relacionar el nivel psicológico de la actividad humana con sus mecanismos psicofisiológicos. Ninguna acción o actividad cognitiva puede realizarse con un solo factor, o con la activación de una sola zona cerebral. El análisis de cada factor que está involucrado en cada actividad cognitiva determinada y las estructuras cerebrales que constituyen su base es la labor del neuropsicólogo. Este análisis, antes basado exclusivamente en la clínica neuropsicológica, actualmente se puede hacer con el apoyo de técnicas de neuroimagen. La radiología y la neuropsicología se unen para hacer un trabajo conjunto gracias al desarrollo de técnicas de neuroimagen.

Electroencefalografía (EEG): La Medición Directa de la Actividad Eléctrica Cerebral

Los electroencefalogramas (EEG) son un método de medición de la actividad cerebral que utiliza electrodos (de 25 a 34, y más para profundizar en la actividad cerebral) colocados en el cuero cabelludo con un gel conductor. Estos electrodos son capaces de detectar la diminuta actividad eléctrica que se produce cuando se "disparan" potenciales de acción en una neurona, también conocidos como impulsos nerviosos. Esta actividad neuronal es detectable. Según Nayak y Anilkumar (2020), la actividad EEG refleja la suma temporal de la actividad sincrónica de millones de neuronas corticales que están alineadas espacialmente.

Las cargas eléctricas detectadas por los electrodos se grafican a lo largo del tiempo para dar una indicación del nivel de actividad que se produce en esa zona concreta del cerebro. Estas ondas indican algún tipo de actividad funcional en el cerebro. La actividad se traza como resultado en un gráfico que proporciona los datos en forma de 4 tipos diferentes de ondas conocidas como:

• Alfa.
• Beta.
• Theta.
• Delta.

Estas ondas se diferencian en dos puntos: la amplitud y la frecuencia. La amplitud es la intensidad y el tamaño de las ondas. La frecuencia es la velocidad y la cantidad de las ondas. La frecuencia suele ser el aspecto más citado de las formas de onda, y cada forma de onda tiene un rango general (Nayak y Anilkumar, 2020):

• Delta (0,5 a 4Hz)
• Theta (4 a 7Hz)
• Alfa (8 a 12Hz)
• Sigma (12 a 16Hz)
• Beta (13 a 30Hz)

Las ondas también cambian dependiendo de si la persona está dormida o despierta. El ejemplo de la Figura 1 muestra algunos patrones reconocibles de ondas que son coherentes y pueden clasificarse fácilmente. Las formas de onda sincronizadas suelen producirse cuando la persona está dormida o concentrada en una tarea, mientras que las formas de onda desincronizadas son más habituales cuando la persona está despierta, ya que su cerebro cambia rápidamente de atención y función. Por eso, medir la actividad de las ondas mediante un EEG puede ser un proceso difícil. Las ondas alfa suelen asociarse con el sueño, pero también se producen cuando las personas están despiertas y relajadas. Las ondas beta se producen cuando una persona está despierta y alerta o en fase REM, y las ondas theta y delta se producen cuando una persona está en sueño ligero y profundo, respectivamente.

Los EEG son útiles para el diagnóstico clínico, por ejemplo, para detectar enfermedades como la epilepsia, ya que esta interrumpe las señales que normalmente se envían a través de las neuronas del cerebro. La identificación de formas de onda reconocibles durante el sueño permite a los médicos determinar si la persona padece un trastorno del sueño. Los EEG también se utilizan para detectar la actividad cerebral en otras enfermedades, como la enfermedad de Alzheimer.

Potenciales Relacionados con Eventos (PRE): La Respuesta Cerebral a Estímulos Específicos

Los potenciales relacionados con eventos (PRE) son muy similares a los EEG porque utilizan electrodos colocados en el cuero cabelludo para medir la actividad eléctrica del cerebro. Sin embargo, los PRE difieren en la forma en que miden las respuestas a un estímulo, es decir, exponiendo al participante a los estímulos muchas veces. Este proceso se denomina promediación, que produce un gráfico de resultados medios que muestra las ondas cerebrales registradas a lo largo del tiempo.

La latencia es el tiempo que transcurre entre la exposición del estímulo al participante y su respuesta al mismo. Las ERPs y los EEGs suelen tener una latencia corta en los primeros 100 ms, que se denominan ERPs sensoriales porque los sentidos responden de forma refleja al estímulo. Después de 100 ms llega la respuesta real al estímulo, en la que la información se ha procesado cognitivamente. Los componentes de los PRE se refieren a una de las ondas de las formas de onda, identificadas por sus diferencias de polaridad, temporización, distribución en el cuero cabelludo, sensibilidad y otros factores. Como se ve en la imagen siguiente, algunos ejemplos de componentes son P1, N1, N2 y P3.

Se pueden ver ejemplos de potenciales relacionados con eventos (PRE) en investigaciones sobre distintas áreas de la psicología, como la memoria. Por ejemplo, Wang et al. (2021) llevaron a cabo una investigación de PRE sobre el efecto Stroop de la memoria de trabajo. Otro estudio (2005) investigó las fobias mediante ERPs, incluyendo el miedo a las serpientes y a las arañas, específicamente las respuestas corticales y las valoraciones de valencia/excitación en respuesta a estas fobias, comparando a los fóbicos con los controles sanos. Encontraron mayores amplitudes de los componentes tardíos de la ERP, incluido el P3, pero no de los componentes más tempranos de la ERP, como el N2, cuando los fóbicos miraban estímulos inductores de miedo.

Resonancia Magnética Funcional (RMf): Visualizando la Actividad Cerebral Hemodinámica

La resonancia magnética funcional (RMf) permite el estudio de los cambios fisiológicos del cerebro relacionados con procesos mentales durante la ejecución de una tarea. El objetivo es destacar su capacidad con tareas para evaluar diversas funciones cerebrales superiores, mediante la ejecución de paradigmas que producen activación cerebral en las regiones involucradas. El uso de la resonancia magnética funcional se dio inicialmente por Belleveau y sus colaboradores en 1991, para demostrar que la percepción de estímulos visuales incrementa el flujo sanguíneo en el córtex visual primario. La popularidad de esta técnica se puede ver en múltiples trabajos de investigación en la literatura científica. Los mapas de activación neuronal confirman la participación simultánea de diferentes áreas cerebrales, incluso distantes, durante la ejecución de paradigmas.

Aplicaciones y Estudios Relevantes de la RMf

La RMf juega un rol importante en diversas áreas y disciplinas. Permite localizar un proceso cognitivo, tanto para definir la organización funcional del cerebro como para planear una cirugía, generando mapas funcionales y prequirúrgicos. Permite definir la distancia entre una determinada función y la lesión que se va a tratar e identificar los efectos de la lesión en la representación cortical de la función.

Además, la RMf permite estudiar el funcionamiento irregular del cerebro en pacientes, estableciendo si hay cambios en las áreas activadas comparados con sujetos sanos. Caracteriza las respuestas y función de determinadas regiones del cerebro. Evalúa cómo se dan los procesos de plasticidad cerebral por rehabilitación cognitiva y actividades compensatorias. Por ejemplo, en pacientes con esclerosis múltiple, en la comprensión auditiva en pacientes con afasia, y muestra el nuevo patrón de conectividad entre hemisferios cerebrales meses después del inicio del tratamiento en pacientes con afasia. También establece la conectividad funcional y efectiva, que difieren de la conectividad estructural que se observa mediante imágenes de tensor de difusión. Permite hacer seguimiento a tratamientos farmacológicos y constituye un biomarcador objetivo para evaluar la respuesta terapéutica y el pronóstico de los pacientes. Asimismo, permite definir la dominancia hemisférica para funciones cerebrales específicas.

Ejemplos de investigaciones con RMf incluyen:

• Estudios con pacientes con trastorno obsesivo compulsivo (TOC): Se comparan las áreas activadas ante determinadas tareas con sujetos sanos, y se pone de manifiesto que las posibles áreas implicadas en el TOC incluyen el córtex orbitofrontal, el estriado y el cíngulo anterior.
• Estudios con esclerosis múltiple: Utilizando distintos paradigmas para evaluar procesos como memoria de trabajo y velocidad de procesamiento, se encontró mayor activación del córtex frontal y en ocasiones en córtex parietal en pacientes comparados con participantes sanos. También se pudo establecer que los pacientes con esclerosis múltiple con deterioro cognitivo “leve” requieren activar más áreas cerebrales que una persona sana para concluir las tareas, lo cual se ha definido como activación compensatoria. Además, los patrones de desactivación en reposo (red neural por defecto o default-mode network) son distintos en estos pacientes.
• Diagnóstico de enfermedad de Alzheimer temprana: Investigaciones proponen a los estudios de resonancia magnética funcional como biomarcador. Con tareas de memoria episódica, se ha logrado establecer que las áreas que se activan en sujetos sanos son las del lóbulo temporal medial, incluyendo activación del hipocampo y estructuras relacionadas. Esta activación se ve disminuida en personas con antecedentes familiares de demencia tipo enfermedad de Alzheimer y personas con diagnóstico de déficit cognitivo, condición que se considera un predictor de la enfermedad.

Metodología y Diseño de Paradigmas en RMf

Para realizar una resonancia magnética funcional con éxito es indispensable la participación de un equipo multidisciplinario, conformado por un neuroradiólogo, un técnico en resonancia, un bioingeniero y un neuropsicólogo. Es crucial realizar una evaluación neuropsicológica al paciente previa a la resonancia magnética funcional, que permita establecer un perfil neuropsicológico y, con esta información, seleccionar los paradigmas apropiados. También debe permitir entrenar al paciente para el estudio.

Un paradigma es un conjunto de estímulos que, organizados con determinadas pautas temporales y de diseños, conforma las tareas que debe desempeñar el sujeto durante la adquisición de las imágenes por resonancia magnética funcional. Por medio de los paradigmas se ponen en marcha procesos cognitivos para localizar la arquitectura funcional subyacente a ellos. El diseño de los paradigmas debe tener una alta especificidad, equiparable a la especificidad de las baterías neuropsicológicas, donde se busca independizar los factores de cada función cerebral superior para evaluar lo que realmente se pretende. Deben poder replicarse para estudios control y estar diseñados acorde al nivel educativo del sujeto, así como estar basados en un sólido conocimiento de los procesos cognitivos a estudiar. Los principales tipos de diseños son:

• Diseños por bloques: Se presentan dos situaciones, una de activación con un estímulo específico y otra de control o reposo, con un estímulo neutro que evita la activación. Las características para su éxito incluyen una duración de 20 a 30 segundos para obtener potencia de contraste máxima, periodicidad de los bloques (cada 5 segundos), y un mayor número de bloques para mayor potencia.
• Diseños ligados a eventos: Se caracterizan por presentar las condiciones en forma aleatoria. Tal es el caso de las tareas oddball, una tarea de reconocimiento de un estímulo infrecuente que se intercala de forma aleatoria. Los diseños ligados a eventos son menos susceptibles a fenómenos de habituación, expectación y a la disminución de la atención.

Consideraciones en la Interpretación de RMf

Para la interpretación de las áreas de activación cerebral, además de tener conocimiento de los procesos neurocognitivos involucrados en los paradigmas utilizados en el estudio, hay que tener en cuenta varias consideraciones y evitar errores. Primero, es necesario considerar las diferencias individuales: pueden presentarse diferentes situaciones que afectan el acoplamiento neurovascular y que generan diferencias entre los individuos en el estado de oxigenación, como isquemia cerebral crónica, gliosis, hipertensión arterial, diabetes o hipercolesterolemia, y los efectos de algunos medicamentos. Segundo, durante el reposo en los paradigmas de diseño en bloques se pueden activar regiones como la corteza ventral medial prefrontal o área de Brodmann 10 y el Precúneo o área 7 de Brodmann; esto corresponde a activación del “default-mode network”. Tercero, hay que tener en cuenta que el hecho de que un área se active durante la ejecución de una tarea no implica que esa área sea indispensable para la tarea en cuestión.

Diferencias y Semejanzas Clave entre EEG/PRE y RMf

La adquisición de ERPs concurrentemente con fMRI en paradigmas cognitivos es atractiva, pero técnicamente desafiante. Poco se sabe sobre los efectos del ambiente de la fMRI en el curso temporal y la topografía de los efectos ERP previamente documentados. Los ERP P3 diferencias encontradas fuera del escáner en ambos paradigmas fueron también detectadas robustamente en los ERPs adquiridos durante el escaneo de fMRI. Estos efectos P3 tuvieron cursos temporales y topografías del cuero cabelludo equivalentes dentro y fuera del escáner.

Aunque ambas técnicas buscan comprender el funcionamiento cerebral, lo hacen desde perspectivas diferentes:

Fortalezas y Debilidades de las Técnicas

Los EEG y los PRE miden la actividad eléctrica del cerebro mediante electrodos fijados al cuero cabelludo, mientras que la RMf visualiza la actividad hemodinámica. Ambas son técnicas poderosas con ventajas y desventajas que las hacen complementarias.

Fortalezas de EEG y PRE

• Bajo coste: En comparación con otras técnicas de exploración cerebral, los EEG y los PRE son alternativas de bajo coste, más accesibles que máquinas como las fMRI.
• Diagnóstico clínico: Son útiles para diagnosticar enfermedades como la epilepsia, una afección que se produce como consecuencia de una actividad eléctrica alterada en el cerebro. La identificación de formas de onda durante el sueño permite a los médicos determinar trastornos del sueño.
• Alta resolución temporal: Ambas técnicas tienen una alta resolución temporal porque registran la actividad a los milisegundos de producirse, a diferencia de la RMf, que tiene un retardo. Es muy precisa a la hora de cronometrar la actividad eléctrica del cerebro.
• Robustez de los PRE: Como los PRE utilizan un método de promediación, sus resultados son más fiables y pueden atribuirse a la actividad porque se filtran las activaciones aleatorias.
• No invasiva: Se colocan electrodos en el cuero cabelludo para detectar la actividad, siendo un método no invasivo.
• Movilidad: El sujeto puede moverse durante el examen EEG o ERP, a diferencia de la RMf, que requiere que el sujeto permanezca inmóvil. Este procedimiento permite realizar una gama más amplia de pruebas a los participantes.
• Seguimiento del desarrollo cognitivo: Son útiles para evaluar a los niños en distintas situaciones, como en tareas de memoria.

Debilidades de EEG y PRE

• Baja resolución espacial: Como los electrodos están en el cuero cabelludo, solo pueden detectar la actividad eléctrica superficial del cerebro. La resolución espacial es menor en comparación con otras técnicas, como la RMf.
• Falta de precisión: Los electrodos de EEG pueden proporcionar una buena estimación de dónde se produce la actividad eléctrica, pero no es exacta. Indica dónde es más fuerte la actividad eléctrica, pero no de dónde procede exactamente. Los electroencefalogramas suelen representar la actividad de todo el cerebro, y no de neuronas concretas.
• Incomodidad: Los numerosos electrodos combinados con el gel hacen que el aparato resulte incómodo para los participantes, y el gel permanece en el pelo hasta que se lava.
• Los EEG carecen de la solidez de los PRE: Los EEG captan la actividad que se produce en todo el cerebro, y no utilizan la técnica de promediación, lo que hace que los PRE sean más robustos en comparación.
• Variables de confusión: Es necesario tener en cuenta factores como la edad, la consciencia y los estímulos ambientales, ya que pueden afectar los resultados.

Fortalezas de la RMf

• Alta resolución espacial: Permite la localización de los diferentes factores de las funciones cerebrales en áreas determinadas del cerebro con gran precisión.
• Estudio in vivo: Ayuda a dilucidar in vivo el funcionamiento cerebral, permitiendo entender el funcionamiento cerebral en sujetos sanos a diferencia de otras técnicas que solo se realizan cuando se presentan lesiones.
• Ampliación del conocimiento: Amplía el conocimiento sobre los factores que han sido definidos hasta el momento, aunque siendo conscientes de que son insuficientes para explicar todos los procesos cognitivos.

Debilidades de la RMf (basadas en consideraciones y comparaciones)

• Resolución temporal: Es inherentemente más baja que la del EEG/PRE debido a la naturaleza hemodinámica de la señal que mide, que es más lenta que la actividad eléctrica neuronal.
• Costo y accesibilidad: El equipamiento es costoso y su operación requiere de un equipo multidisciplinario y especializado.
• Requisito de inmovilidad: El sujeto debe permanecer completamente inmóvil durante la adquisición de imágenes, lo que puede limitar los tipos de tareas o poblaciones de estudio (ej. niños pequeños).
• Interpretación compleja: El hecho de que un área se active durante la ejecución de una tarea no implica que esa área sea indispensable para la tarea en cuestión, y existen variables individuales y factores como el "default-mode network" que requieren una cuidadosa consideración.

Ambas técnicas, EEG/PRE y RMf, representan un avance significativo en las neurociencias, y su combinación puede ofrecer una visión más completa y detallada de la compleja actividad cerebral.