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resonancia magnética funcional en estado de reposo

La resonancia magnética funcional en estado de reposo ( rs-fMRI o R-fMRI ), también conocida como fMRI independiente de la tarea o fMRI libre de tarea , es un método de imágenes...

La resonancia magnética funcional en estado de reposo ( rs-fMRI o R-fMRI ), también conocida como fMRI independiente de la tarea o fMRI libre de tarea , es un método de imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) que se utiliza en el mapeo cerebral para evaluar las interacciones regionales que ocurren en un estado de reposo o negativo de tarea, cuando no se está realizando una tarea explícita. [ 3 ] [ 4 ] Se han identificado varias redes cerebrales en estado de reposo, una de las cuales es la red de modo predeterminado . [ 5 ] Estas redes cerebrales se observan a través de cambios en el flujo sanguíneo en el cerebro que crean lo que se conoce como una señal dependiente del nivel de oxígeno en sangre (BOLD) que se puede medir utilizando fMRI.

Debido a que la actividad cerebral es intrínseca, presente incluso en ausencia de una tarea inducida externamente, cualquier región cerebral tendrá fluctuaciones espontáneas en la señal BOLD. El enfoque del estado de reposo es útil para explorar la organización funcional del cerebro y examinar si está alterada en trastornos neurológicos o mentales . Debido al aspecto del estado de reposo de esta técnica de imagen, se pueden recopilar datos de una variedad de grupos de pacientes, incluyendo personas con discapacidad intelectual, grupos pediátricos e incluso aquellos que están inconscientes. [ 6 ] [ 7 ] La investigación de la conectividad funcional del estado de reposo ha revelado una serie de redes que se encuentran consistentemente en sujetos sanos, diferentes etapas de conciencia y en diferentes especies, y representan patrones específicos de actividad sincrónica. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

Conceptos básicos de la resonancia magnética funcional en estado de reposo

Imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) de un estudio que muestran cómo se activan ciertas partes del cerebro al ver casas y otras al ver rostros.
Estas imágenes de resonancia magnética funcional (fMRI) provienen de un estudio que muestra cómo se activan ciertas partes del cerebro al ver casas y otras al ver rostros. Los valores 'r' representan correlaciones, donde valores positivos o negativos más altos indican una mejor concordancia.

La resonancia magnética funcional (RMf) es un procedimiento específico de resonancia magnética (RM) que mide la actividad cerebral detectando los cambios asociados en el flujo sanguíneo. Más específicamente, la actividad cerebral se mide a través de la señal BOLD de baja frecuencia en el cerebro. [ 11 ]

El procedimiento es similar a la resonancia magnética, pero utiliza el cambio en la magnetización entre la sangre rica en oxígeno y la pobre en oxígeno como medida básica. Esta medida suele verse afectada por el ruido de diversas fuentes, por lo que se utilizan procedimientos estadísticos para extraer la señal subyacente. La activación cerebral resultante se puede representar gráficamente mediante la codificación por colores de la intensidad de la activación en todo el cerebro o en la región específica estudiada. La técnica permite localizar la actividad con una precisión de milímetros, pero, utilizando técnicas estándar, no mejor que en un intervalo de unos pocos segundos. [ 12 ]

La resonancia magnética funcional (RMf) se utiliza tanto en investigación como, en menor medida, en entornos clínicos. También puede combinarse y complementarse con otras medidas de fisiología cerebral, como el electroencefalograma (EEG) , la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS) y la ecografía funcional. [ 13 ] [ 14 ] La RMf con marcaje de espín arterial puede utilizarse como un método complementario para evaluar las funciones cerebrales en reposo. [ 15 ] [ 16 ]

Base fisiológica

La respuesta fisiológica del flujo sanguíneo determina en gran medida la sensibilidad temporal, es decir, la precisión con la que se pueden medir las neuronas activas en la resonancia magnética funcional (RMf) BOLD. El parámetro básico de resolución temporal es la frecuencia de muestreo (TR), que determina con qué frecuencia se excita una sección cerebral específica y se le permite perder su magnetización. Las TR pueden variar desde valores muy cortos (500 ms) hasta valores muy largos (3 segundos). En el caso específico de la RMf, se asume que la respuesta hemodinámica dura más de 10 segundos, aumentando de forma multiplicativa (es decir, como una proporción del valor actual), alcanzando su pico entre los 4 y los 6 segundos, y luego disminuyendo también de forma multiplicativa. Los cambios en el sistema de flujo sanguíneo, el sistema vascular, integran las respuestas a la actividad neuronal a lo largo del tiempo. Dado que esta respuesta es una función continua y suave, el muestreo con TR más rápidas solo permite mapear fluctuaciones más rápidas, como las señales de frecuencia respiratoria y cardíaca. [ 17 ]

Si bien la resonancia magnética funcional (RMf) busca medir la actividad neuronal en el cerebro, la señal BOLD puede verse influenciada por muchos otros factores fisiológicos además de la actividad neuronal. Por ejemplo, las fluctuaciones respiratorias y los ciclos cardiovasculares afectan la señal BOLD que se mide en el cerebro y, por lo tanto, generalmente se intenta eliminarlas durante el procesamiento de los datos brutos de la RMf. Debido a estas fuentes de ruido, muchos expertos abordaron la idea de la RMf en estado de reposo con gran escepticismo durante los primeros usos de esta técnica. Solo muy recientemente los investigadores han llegado a tener la certeza de que la señal medida no es un artefacto causado por otras funciones fisiológicas. [ 18 ]

La conectividad funcional en estado de reposo entre regiones cerebrales espacialmente distintas refleja la historia repetida de patrones de coactivación dentro de estas regiones, sirviendo así como una medida de plasticidad . [ 19 ]

Historia

Bharat Biswal

En 1992, Bharat Biswal comenzó su trabajo como estudiante de posgrado en el Medical College of Wisconsin bajo la dirección de su asesor, James S. Hyde , y descubrió que el cerebro, incluso en reposo, contiene información sobre su organización funcional. Utilizó resonancia magnética funcional (RMf) para estudiar cómo se comunican las diferentes regiones del cerebro mientras este se encuentra en reposo y no realiza ninguna tarea activa. Si bien en su momento la investigación de Biswal fue mayormente ignorada y atribuida a otra fuente de señal, su técnica de neuroimagen en reposo ha sido ampliamente replicada y considerada un método válido para mapear las redes funcionales del cerebro. El mapeo de la actividad cerebral en reposo ofrece muchas posibilidades para la investigación cerebral e incluso ayuda a los médicos a diagnosticar diversas enfermedades del cerebro. [ 3 ]

Marcus Raichle

Los experimentos realizados por el laboratorio del neurólogo Marcus Raichle en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington y otros grupos demostraron que el consumo de energía del cerebro aumenta en menos del 5 % de su consumo basal al realizar una tarea mental concentrada. Estos experimentos demostraron que el cerebro se mantiene constantemente activo con un alto nivel de actividad incluso cuando la persona no realiza un trabajo mental concentrado (estado de reposo). Su laboratorio se ha centrado principalmente en encontrar la base de esta actividad en reposo y se le atribuyen numerosos descubrimientos innovadores. Entre ellos se incluye la relativa independencia del flujo sanguíneo y el consumo de oxígeno durante los cambios en la actividad cerebral, que proporcionó la base fisiológica de la resonancia magnética funcional (fMRI), así como el descubrimiento de la conocida red neuronal por defecto (Default Mode Network) . [ 20 ]

Conectividad

Funcional

La conectividad funcional es la conectividad entre regiones cerebrales que comparten propiedades funcionales. Más específicamente, puede definirse como la correlación temporal entre eventos neurofisiológicos espacialmente distantes, expresada como desviación de la independencia estadística a través de estos eventos en grupos y áreas neuronales distribuidas. [ 21 ] Esto se aplica tanto a estudios en estado de reposo como en estado de tarea. Si bien la conectividad funcional puede referirse a correlaciones entre sujetos, series, bloques, ensayos o puntos temporales individuales, la conectividad funcional en estado de reposo se centra en la conectividad evaluada a través de puntos temporales BOLD individuales durante condiciones de reposo. [ 22 ] La conectividad funcional también se ha evaluado utilizando la serie temporal de perfusión muestreada con fMRI de perfusión con marcaje de espín arterial. [ 23 ] La resonancia magnética de conectividad funcional ( fcMRI ), que puede incluir fMRI en estado de reposo y resonancia magnética basada en tareas, podría algún día ayudar a proporcionar diagnósticos más definitivos para trastornos de salud mental como el trastorno bipolar y también puede ayudar a comprender el desarrollo y la progresión del trastorno de estrés postraumático, así como a evaluar el efecto del tratamiento. [ 24 ] Se ha sugerido que la conectividad funcional es una expresión del comportamiento de la red subyacente a la función cognitiva de alto nivel, en parte porque, a diferencia de la conectividad estructural, la conectividad funcional a menudo cambia en el orden de segundos, como en el caso de la conectividad funcional dinámica .

El éxito en el desempeño cognitivo depende no solo de la actividad de las regiones cerebrales individuales, sino también de la comunicación coordinada entre ellas. La conectividad funcional permite que las redes cerebrales distribuidas intercambien información, lo que posibilita la coordinación eficiente de la atención, el control cognitivo y el comportamiento dirigido a objetivos durante tareas complejas. Esto se demostró en un estudio que mostró que la multitarea activa de forma consistente una red frontoparietal compartida involucrada en el control cognitivo, que incluye el surco intraparietal bilateral (IPS), la corteza premotora dorsal (dPMC) y la ínsula anterior . Estas regiones cerebrales apoyan la coordinación de la atención, la selección de respuestas y el mantenimiento de objetivos en múltiples tareas. Si bien la realización de tareas duales y el cambio de tareas activan regiones especializadas adicionales, la red frontoparietal compartida proporciona la base funcional para coordinar el comportamiento complejo. [ 25 ]

Redes

Estudio que muestra cuatro redes funcionales que resultaron ser altamente consistentes entre los sujetos. Estos módulos incluyen las cortezas visual (amarillo), sensorial/motora (naranja) y de los ganglios basales (rojo), así como la red de modo predeterminado ( corteza cingulada posterior , lóbulos parietales inferiores y giro frontal medial ; granate).

Red en modo predeterminado

La red neuronal por defecto (RND) es una red de regiones cerebrales que se activan cuando un individuo está despierto y en reposo. [ 26 ] La RND es un sistema cerebral interconectado y anatómicamente definido que se activa preferentemente cuando los individuos se concentran en tareas internas como soñar despiertos, imaginar el futuro, recuperar recuerdos y evaluar las perspectivas de los demás. [ 27 ] Está correlacionada negativamente con los sistemas cerebrales que se centran en señales visuales externas. Es una de las redes más estudiadas presentes durante el estado de reposo y una de las más fáciles de visualizar. [ 28 ]

Otras redes en estado de reposo

Dependiendo del método de análisis del estado de reposo, los estudios de conectividad funcional han reportado varias redes neuronales que resultan estar fuertemente conectadas funcionalmente durante el reposo. Las redes clave, también denominadas componentes, que se reportan con mayor frecuencia incluyen: la DMN, las redes sensoriales / motoras , la red ejecutiva central (CEN), hasta tres redes visuales diferentes, una red de atención ventral y dorsal , la red auditiva y la red límbica . [ 29 ] Como ya se ha reportado, estas redes en estado de reposo consisten en regiones anatómicamente separadas, pero conectadas funcionalmente, que muestran un alto nivel de actividad de señal BOLD correlacionada. Se ha encontrado que estas redes son bastante consistentes en diferentes estudios, a pesar de las diferencias en las técnicas de adquisición y análisis de datos. [ 29 ] [ 30 ] Es importante destacar que la mayoría de estos componentes en estado de reposo representan redes funcionales conocidas, es decir, regiones que se sabe que comparten y apoyan funciones cognitivas. [ 9 ]

Análisis de datos

Procesamiento de datos

Existen numerosos programas para el procesamiento y análisis de datos de fMRI en estado de reposo. Algunos de los programas más utilizados incluyen SPM , AFNI , FSL (especialmente Melodic para ICA), CONN , C-PAC y Connectome Computation System ( CCS ).

Métodos de análisis

Existen numerosos métodos para adquirir y procesar datos de resonancia magnética funcional en estado de reposo (rsfMRI). Los métodos de análisis más populares se centran en componentes independientes o en regiones de correlación.

Análisis de componentes independientes

El análisis de componentes independientes (ICA) es un método estadístico útil para la detección de redes neuronales en estado de reposo. ICA separa una señal en componentes espaciales y temporales que no se superponen. Es un método altamente dependiente de los datos y permite una mejor eliminación de los componentes ruidosos de la señal (movimiento, deriva del escáner, etc.). También se ha demostrado que extrae de forma fiable la red neuronal por defecto, así como muchas otras redes, con una consistencia muy alta. [ 31 ] [ 32 ] ICA sigue estando a la vanguardia de los métodos de investigación. [ 33 ]

Análisis regional

Otros métodos para observar redes y conectividad en el cerebro incluyen el mapeo basado en semillas y los métodos de análisis de regiones de interés (ROI). En estos casos, la señal de un vóxel o grupo de vóxeles específicos, conocidos como semillas o ROI, se utiliza para calcular correlaciones con otros vóxeles del cerebro. Esto proporciona una visión mucho más precisa y detallada de la conectividad específica en áreas cerebrales de interés. [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] Esto también se puede realizar en todo el cerebro utilizando un atlas, lo que facilita la definición de ROI y la medición de la conectividad. En 2021, Yeung y sus colegas realizaron un análisis regional utilizando una versión modificada del atlas del Proyecto Conectoma Humano (HCP) y encontraron cambios en el conectoma funcional de pacientes con accidente cerebrovascular durante el tratamiento de rehabilitación. [ 37 ] La conectividad general entre una ROI (como la corteza prefrontal ) y todos los demás vóxeles del cerebro también se puede promediar, lo que proporciona una medida de la conectividad cerebral global (GBC) específica para esa ROI. [ 38 ] Otros métodos para caracterizar redes en estado de reposo incluyen correlación parcial, coherencia y coherencia parcial, relaciones de fase, distancia de deformación temporal dinámica , agrupamiento y teoría de grafos . [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]

Fiabilidad y reproducibilidad

La resonancia magnética funcional en estado de reposo (RMfR) permite visualizar las fluctuaciones de baja frecuencia en la actividad cerebral espontánea, lo que la convierte en una herramienta popular para la conectómica funcional a macroescala, permitiendo caracterizar las diferencias interindividuales en la función cerebral normal, las asociaciones mente-cerebro y diversos trastornos. Esto sugiere fiabilidad y reproducibilidad para las medidas de conectómica funcional del cerebro humano derivadas de la RMfR de uso común . Estas métricas ofrecen un gran potencial para acelerar la identificación de biomarcadores en diversas enfermedades cerebrales, lo que subraya la necesidad de abordar la fiabilidad y la reproducibilidad desde el principio. [ 42 ]

Combinación de técnicas de imagen

La fila izquierda muestra cortes sagitales, coronales y horizontales de las diez RSN (p<0,005; corregido a α<0,05 / las coordenadas x, y y z se proporcionan en la esquina inferior izquierda de cada RSN). En el lado derecho se muestran los mapas de covarianza y t para las 8 bandas de frecuencia. Un valor de covarianza positivo (rojo) indica que con el aumento de la actividad de la RSN hay un aumento relativo en la potencia espectral en un electrodo dado en una banda de frecuencia dada, mientras que un valor negativo (azul) indica una disminución en la potencia cuando aumenta la actividad de la RSN, y viceversa.
Esta imagen proviene de un estudio que utilizó resonancia magnética funcional (fMRI) y electroencefalografía (EEG) en estado de reposo. La fila izquierda muestra cortes sagitales, coronales y horizontales de las diez redes neuronales en estado de reposo (RSN). En el lado derecho se muestran los mapas de covarianza y los mapas t para las ocho bandas de frecuencia.

resonancia magnética funcional con DWI

Con la fMRI proporcionando información funcional y la DWI información estructural sobre el cerebro, estas dos técnicas de imagen se utilizan comúnmente en conjunto para proporcionar una visión holística de las interacciones de la red cerebral. Cuando se recopilan de ROI definidas, los datos de fMRI informan a los investigadores sobre cómo cambia la actividad (flujo sanguíneo) en el cerebro a lo largo del tiempo o durante una tarea. [ 43 ] Esto se refuerza luego con los datos estructurales de DWI, que muestran cómo los tractos individuales de sustancia blanca conectan estas ROI. [ 44 ] Las investigaciones que aprovechan estas técnicas han hecho avanzar el campo de la neurociencia de redes, al definir con mayor precisión grupos de regiones en el cerebro que se conectan tanto estructuralmente (con tractos de sustancia blanca que pasan entre ellas) como funcionalmente (mostrando patrones de actividad similares u opuestos a lo largo del tiempo), en redes cerebrales como la DMN . [ 45 ] Los avances en el análisis de datos topológicos han establecido un marco estadístico coherente para integrar la información funcional y estructural, representada como redes cerebrales funcionales y estructurales con topologías distintas. [ 46 ]

Estos datos combinados proporcionan un beneficio clínico y neuropsiquiátrico único, al permitir la investigación de cómo las redes cerebrales se ven alteradas, o las vías de la sustancia blanca se ven comprometidas, por la presencia de una enfermedad mental o daño estructural. [ 47 ] Se ha demostrado que la conectividad alterada de la red cerebral está presente en una amplia gama de trastornos, como la esquizofrenia, [ 48 ] [ 49 ] la depresión, [ 50 ] [ 51 ] el accidente cerebrovascular, [ 51 ] [ 52 ] y el tumor cerebral, [ 53 ] lo que subyace a sus síntomas únicos.

resonancia magnética funcional con electroencefalografía

Muchos expertos en neuroimagen consideran que, para obtener la mejor combinación de información espacial y temporal de la actividad cerebral, se deben utilizar simultáneamente tanto la resonancia magnética funcional (RMf) como la electroencefalografía (EEG). Esta técnica dual combina la capacidad bien documentada de la EEG para caracterizar ciertos estados cerebrales con alta resolución temporal y revelar patrones patológicos, con la capacidad de la RMf (descubierta más recientemente y menos comprendida) para visualizar la dinámica sanguínea en todo el cerebro con alta resolución espacial. Hasta ahora, la RMf-EEG se ha considerado principalmente una técnica de RMf en la que la EEG adquirida sincrónicamente se utiliza para caracterizar la actividad cerebral ("estado cerebral") a lo largo del tiempo, lo que permite mapear (mediante mapeo paramétrico estadístico, por ejemplo) los cambios hemodinámicos asociados. [ 54 ]

El valor clínico de estos hallazgos es objeto de investigaciones en curso, pero estudios recientes sugieren una fiabilidad aceptable para los estudios de EEG-fMRI y una mayor sensibilidad en escáneres de campo más alto. Fuera del campo de la epilepsia, el EEG-fMRI se ha utilizado para estudiar las respuestas cerebrales relacionadas con eventos (desencadenadas por estímulos externos) y ha proporcionado información nueva e importante sobre la actividad cerebral basal durante la vigilia en reposo y el sueño. [ 55 ]

resonancia magnética funcional con estimulación magnética transcraneal

La estimulación magnética transcraneal (EMT) utiliza campos magnéticos pequeños y relativamente precisos para estimular regiones de la corteza sin procedimientos invasivos peligrosos. Cuando estos campos magnéticos estimulan un área de la corteza, el flujo sanguíneo focal aumenta tanto en el sitio de estimulación como en sitios distantes conectados anatómicamente a la ubicación estimulada. Posteriormente, se puede utilizar la tomografía por emisión de positrones (PET) para obtener imágenes del cerebro y los cambios en el flujo sanguíneo. Los resultados muestran regiones de conectividad muy similares, lo que confirma las redes encontradas en estudios de resonancia magnética funcional (RMf). La EMT también puede utilizarse para complementar y proporcionar información más detallada sobre las regiones conectadas. [ 56 ]

Posibles inconvenientes

Los posibles inconvenientes al usar rsfMRI para determinar la integridad de la red funcional son la contaminación de la señal BOLD por fuentes de ruido fisiológico como la frecuencia cardíaca, la respiración, [ 57 ] [ 58 ] y el movimiento de la cabeza. [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] Estos factores de confusión a menudo pueden sesgar los resultados en estudios donde se compara a los pacientes con controles sanos en la dirección de los efectos hipotetizados, por ejemplo, se podría encontrar una menor coherencia en la red predeterminada en el grupo de pacientes, mientras que los grupos de pacientes también se movieron más durante el escaneo. Además, se ha demostrado que el uso de la regresión de señal global puede producir correlaciones artificiales entre un pequeño número de señales (por ejemplo, dos o tres). [ 63 ] Afortunadamente, el cerebro tiene muchas señales. [ 64 ]

Aplicaciones actuales y futuras

La investigación que utiliza fMRI en estado de reposo tiene el potencial de aplicarse en el contexto clínico, incluyendo su uso en la evaluación de muchas enfermedades y trastornos mentales diferentes . [ 65 ]

Condición de la enfermedad y cambios en la conectividad funcional en estado de reposo

Otros tipos de aplicaciones clínicas actuales y futuras para la resonancia magnética funcional en estado de reposo incluyen la identificación de diferencias grupales en enfermedades cerebrales, la obtención de información diagnóstica y pronóstica, estudios longitudinales y efectos del tratamiento, la agrupación en estados de enfermedad heterogéneos y el mapeo preoperatorio y la intervención dirigida. [ 86 ] Debido a que no depende del rendimiento en tareas ni de las demandas cognitivas, la resonancia magnética funcional en estado de reposo puede ser una herramienta útil para evaluar las alteraciones cerebrales en trastornos de la conciencia y la cognición, así como en poblaciones pediátricas. [ 87 ]

Véase también

Referencias

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