Métodos Clave en Neurociencia Cognitiva

La neurociencia cognitiva es un campo apasionante que busca desentrañar la compleja relación entre nuestro cerebro y nuestra conducta, pensamiento y sentimientos. Para lograr esta comprensión, los investigadores emplean una variedad de métodos ingeniosos, clasificados en diferentes categorías según lo que buscan medir o manipular. Estos métodos, que abarcan desde el análisis de la anatomía cerebral hasta el estudio detallado del comportamiento, fueron concebidos para proporcionarnos una ventana al funcionamiento interno de la mente.

Existen numerosas técnicas que nos ayudan a analizar el cerebro y a obtener una visión general de la relación entre el cerebro y el comportamiento. Algunas de las técnicas más conocidas incluyen la Electroencefalografía (EEG), que registra la actividad eléctrica del cerebro, y la Resonancia Magnética Funcional (RMf), que nos informa sobre las funciones cerebrales. Sin embargo, otros métodos, como el método de lesión, aunque quizás menos conocidos por el público general, siguen siendo muy influyentes en la investigación neurocientífica actual.

Categorías de Métodos en Neurociencia

Los métodos de investigación en neurociencia cognitiva pueden agruparse en varias categorías principales. Existen técnicas dedicadas a evaluar la anatomía cerebral, otras que se centran en las funciones fisiológicas, y algunas que permiten modular la actividad cerebral. Además, hay métodos específicos para analizar el comportamiento y técnicas de modelado que simulan la relación cerebro-comportamiento. Cada una de estas aproximaciones ofrece una perspectiva única y valiosa para comprender el sistema nervioso.

El Método de Lesión

El concepto fundamental detrás del método de lesión se basa en la idea de encontrar una correlación directa entre un área cerebral específica y un comportamiento observado. A partir de experiencias y observaciones de investigación, se puede concluir que la pérdida de una parte del cerebro causa cambios en el comportamiento o interfiere en la realización de una tarea específica.

Esto se puede observar, por ejemplo, en un paciente con una lesión en el área de asociación parietal-temporal-occipital que presenta agrafia. Esto significa que no es capaz de escribir a pesar de no tener déficits en sus habilidades motoras. En consecuencia, en términos generales, los investigadores deducen que si la estructura X está dañada y ocurren cambios en el comportamiento Y, entonces X tiene una relación con Y.

En humanos, las lesiones a menudo son causadas por tumores o accidentes cerebrovasculares. Con los métodos modernos, es posible determinar qué área resultó dañada, por ejemplo, por un accidente cerebrovascular, y así deducir una relación entre la pérdida de la capacidad de hablar y esa área cerebral dañada específica.

Las lesiones causadas deliberadamente en el laboratorio con animales ofrecen muchas ventajas. Primero, los animales crecen en el mismo entorno y tienen la misma edad cuando se realiza la cirugía. Segundo, en cada animal se puede observar una comparación del desempeño de una tarea antes y después. Y tercero, se pueden observar grupos de control que o bien no se sometieron a cirugía o bien tuvieron cirugía en otra área cerebral. Estos beneficios también aumentan la precisión de la hipótesis que se está probando, lo cual es más difícil en la investigación con humanos, ya que la comparación antes-después y los experimentos de control son más limitados.

Para aumentar la probabilidad de la relación hipotética entre un área cerebral y el rendimiento de una tarea, se lleva a cabo un método llamado doble disociación. El objetivo de este método es probar si dos disociaciones son independientes. Más precisamente, si dos pacientes tienen cada uno una lesión cerebral y muestran un patrón de enfermedad contradictorio, la ambición de los científicos será demostrar que las dos tareas se realizan en dos áreas cerebrales diferentes.

Las lesiones en el área de Broca y en el área de Wernicke pueden servir como ejemplo. El área de Broca en el cerebro es responsable del procesamiento del lenguaje, la comprensión y la producción del habla. Los pacientes con una lesión en esta área tienen un daño cerebral llamado afasia de Broca o afasia no fluida. Ya no pueden hablar con fluidez; una frase producida por ellos podría ser: “Yo... eh... quería... ah... bueno... yo... quería ir... eh... a surfear... y... eh... bueno...”. Por el contrario, el área de Wernicke es responsable de analizar el lenguaje hablado. Un paciente con una lesión en esta área tiene la llamada afasia de Wernicke. Es capaz de escuchar el lenguaje, pero ya no puede entenderlo y, por lo tanto, no puede producir oraciones significativas. Habla “ensalada de palabras”, como por ejemplo: “Entonces hice este chingo por algunas horas después de que mi dazi pasó por manso y fue sharko”. Una dificultad que ocurre con los pacientes con afasia de Wernicke es que a menudo no son conscientes de su falta de capacidad para hablar correctamente porque no pueden entender lo que están diciendo y creen que están teniendo una conversación normal.

Sin duda, uno de los casos de “lesión” más famosos fue el de Phineas Gage. El 13 de septiembre de 1848, Gage, capataz de construcción de ferrocarriles, estaba usando una varilla de hierro para apisonar una carga explosiva en una masa de roca cuando una explosión prematura de la carga disparó la varilla a través de su mandíbula izquierda y salió por la parte superior de su cabeza. Milagrosamente, Gage sobrevivió, pero según se informa, experimentó un cambio dramático de personalidad como resultado de la destrucción de uno o ambos de sus lóbulos frontales. La singularidad del caso de Gage (y la imposibilidad ética de repetir el tratamiento en otros pacientes) dificulta la generalización a partir de él, pero ilustra la idea central detrás del método de lesión.

Técnicas para Evaluar la Anatomía y Función Fisiológica del Cerebro

Estas técnicas nos permiten obtener imágenes detalladas de la estructura cerebral o de su actividad metabólica y funcional.

Tomografía Axial Computarizada (TAC)

La exploración por TAC (Tomografía Axial Computarizada) fue inventada en 1972 por el ingeniero británico Godfey N. Hounsfield y el físico sudafricano (más tarde estadounidense) Alan Cromack.

La TAC es un procedimiento de rayos X que combina muchas imágenes de rayos X con la ayuda de una computadora para generar vistas transversales y, cuando es necesario, imágenes en 3D de los órganos y estructuras internas del cuerpo humano. Una gran máquina de rayos X en forma de dona toma imágenes de rayos X desde muchos ángulos diferentes alrededor del cuerpo. Esas imágenes son procesadas por una computadora para producir una imagen transversal del cuerpo. En cada una de estas imágenes, el cuerpo se ve como una “rebanada” de rayos X, que se registra en una película. Esta imagen registrada se llama tomograma.

Las tomografías computarizadas se realizan para analizar, por ejemplo, la cabeza, donde se pueden identificar lesiones traumáticas (como coágulos de sangre o fracturas de cráneo), tumores e infecciones. En la columna vertebral, la estructura ósea de las vértebras se puede definir con precisión, al igual que la anatomía de la médula espinal. Las tomografías computarizadas también son extremadamente útiles para definir la anatomía de los órganos corporales, incluyendo la visualización del hígado, la vesícula biliar, el páncreas, el bazo, la aorta, los riñones, el útero y los ovarios. La cantidad de radiación que recibe una persona durante una tomografía computarizada es mínima. En hombres y mujeres no embarazadas, no se ha demostrado que produzca efectos adversos. Sin embargo, realizar una prueba de TAC conlleva algunos riesgos. Si el sujeto o el paciente está embarazada, se puede recomendar realizar otro tipo de examen para reducir el posible riesgo de exponer a su feto a la radiación. También en casos de asma o alergias, se recomienda evitar este tipo de exploración. Dado que la tomografía computarizada requiere un medio de contraste, existe un ligero riesgo de una reacción alérgica al medio de contraste. Tener ciertas condiciones médicas (diabetes, asma, enfermedad cardíaca, problemas renales o afecciones tiroideas) también aumenta el riesgo de una reacción al medio de contraste.

Resonancia Magnética (RM)

Aunque la exploración por TAC fue un gran avance, en muchos casos fue sustituida por la Resonancia Magnética (también conocida como RM), ya que la resonancia magnética es un método para mirar dentro del cuerpo sin usar rayos X, colorantes dañinos o cirugía. En su lugar, se utilizan ondas de radio y un fuerte campo magnético para proporcionar imágenes notablemente claras y detalladas de órganos y tejidos internos.

La RM se basa en un fenómeno físico llamado resonancia magnética nuclear (RMN), descubierto en la década de 1930 por Felix Bloch y Edward Purcell. En esta resonancia, un campo magnético y ondas de radio hacen que los átomos emitan pequeñas señales de radio. En 1970, Raymond Damadian descubrió la base para usar la resonancia magnética como herramienta de diagnóstico médico. Cuatro años después se concedió una patente, la primera patente mundial emitida en el campo de la RM. En 1977, el Dr. Damadian completó la construcción del primer escáner de RM de “cuerpo entero”, al que llamó “Indomitable”. El uso médico de la resonancia magnética se ha desarrollado rápidamente. El primer equipo de RM en salud estuvo disponible a principios de la década de 1980. En 2002, aproximadamente 22000 escáneres de RM estaban en uso en todo el mundo, y se realizaron más de 60 millones de exámenes de RM.

Debido a sus imágenes detalladas y claras, la RM se utiliza ampliamente para diagnosticar lesiones relacionadas con el deporte, especialmente las que afectan la rodilla, el codo, el hombro, la cadera y la muñeca. Además, la RM del corazón, la aorta y los vasos sanguíneos es una herramienta rápida y no invasiva para diagnosticar enfermedades arteriales y problemas cardíacos. Los médicos pueden incluso examinar el tamaño de las cámaras cardíacas y determinar la extensión del daño causado por una enfermedad cardíaca o un ataque al corazón. Órganos como los pulmones, el hígado o el bazo también se pueden examinar con gran detalle con la RM. Como no hay exposición a la radiación, la RM es a menudo la herramienta de diagnóstico preferida para el examen de los sistemas reproductores masculino y femenino, la pelvis y las caderas, y la vejiga.

Los riesgos de la RM son mínimos, pero un implante metálico no detectado puede verse afectado por el fuerte campo magnético. La RM generalmente se evita en las primeras 12 semanas de embarazo, utilizando métodos como la ecografía a menos que haya una razón médica imperiosa para usar la RM.

RM por Tensor de Difusión (RMtd)

Ha habido un desarrollo adicional de la RM: la RMtd (RM por Tensor de Difusión) permite medir la difusión restringida del agua en el tejido y proporciona una imagen tridimensional del mismo. El principio de usar un campo magnético para medir la difusión ya fue descrito en 1965 por Edward O. Stejskal y John E. Tanner. Después del desarrollo de la RM, Michael Moseley introdujo el principio en la imagen por RM en 1984, y Dennis LeBihan realizó más trabajo fundamental en 1985. En 1994, el ingeniero Peter J. Basser publicó modelos matemáticos optimizados de un modelo de tensor de difusión anterior. Este modelo se utiliza comúnmente hoy en día y es compatible con todos los nuevos dispositivos de RM.

La técnica de RMtd aprovecha el hecho de que la movilidad de las moléculas de agua en el tejido cerebral está restringida por obstáculos como las membranas celulares. En las fibras nerviosas, la movilidad solo es posible a lo largo de los axones. Por lo tanto, medir la difusión permite determinar el curso de las principales fibras nerviosas. Todos los datos de un tensor de difusión son demasiados para procesar en una sola imagen, por lo que existen diferentes técnicas para visualizar diferentes aspectos de estos datos: imágenes de corte transversal, tractografía (reconstrucción de las principales fibras nerviosas) y glifos tensoriales (ilustración completa de la información del tensor de difusión).

El patrón de difusión cambia de manera característica en pacientes con enfermedades específicas del sistema nervioso central, por lo que pueden distinguirse mediante la técnica del tensor de difusión. El diagnóstico de accidentes cerebrovasculares apopléticos y la investigación médica de enfermedades que implican cambios en la sustancia blanca, como la enfermedad de Alzheimer o la Esclerosis Múltiple, son las principales aplicaciones. Las desventajas de la RMtd son que consume mucho más tiempo que la RM ordinaria y produce grandes cantidades de datos que primero deben visualizarse mediante los diferentes métodos para poder ser interpretados.

Resonancia Magnética Funcional (RMf)

La RMf (Resonancia Magnética Funcional) se basa en la resonancia magnética nuclear (RMN). La forma en que funciona este método es la siguiente: Todos los núcleos atómicos con un número impar de protones tienen un espín nuclear. Se aplica un fuerte campo magnético alrededor del objeto examinado, lo que alinea todos los espines paralelos o antiparalelos a él. Hay una resonancia a un campo magnético oscilante a una frecuencia específica, que se puede calcular en función del tipo de átomo (el espín usual de los núcleos se altera, lo que induce un voltaje s(t); luego regresan al estado de equilibrio). A este nivel, se pueden identificar diferentes tejidos, pero no hay información sobre su ubicación. En consecuencia, la intensidad del campo magnético se cambia gradualmente, de modo que hay una correspondencia entre frecuencia y ubicación, y con la ayuda del análisis de Fourier podemos obtener información de ubicación unidimensional. Combinando varios de estos métodos, como el análisis de Fourier, es posible obtener una imagen en 3D.

La idea central de la RMf es observar las áreas con un aumento del flujo sanguíneo. La hemoglobina altera la imagen magnética, por lo que se pueden identificar áreas con un nivel de oxígeno en sangre dependiente (BOLD) aumentado. Mayores intensidades de señal BOLD surgen de la disminución de la concentración de hemoglobina desoxigenada. Un experimento de RMf generalmente dura 1-2 horas. El sujeto se acostará en el imán y se configurará una forma particular de estimulación, y se tomarán imágenes de RM del cerebro del sujeto.

En el primer paso, se toma una sola exploración de alta resolución. Esto se utiliza más tarde como fondo para resaltar las áreas cerebrales que fueron activadas por el estímulo. En el siguiente paso, se toma una serie de exploraciones de baja resolución a lo largo del tiempo, por ejemplo, 150 exploraciones, una cada 5 segundos. Para algunas de estas exploraciones, se presentará el estímulo, y para algunas, el estímulo estará ausente. Se pueden comparar las imágenes cerebrales de baja resolución en los dos casos para ver qué partes del cerebro fueron activadas por el estímulo. El resto del análisis se realiza utilizando una serie de herramientas que corrigen distorsiones en las imágenes, eliminan el efecto del movimiento de la cabeza del sujeto durante el experimento y comparan las imágenes de baja resolución tomadas cuando el estímulo estaba apagado con las tomadas cuando estaba encendido. La imagen estadística final muestra brillo en aquellas partes del cerebro que fueron activadas por este experimento. Estas áreas activadas se muestran luego como manchas de color sobre la exploración original de alta resolución. Esta imagen también se puede renderizar en 3D.

La RMf tiene una resolución espacial moderadamente buena y una resolución temporal deficiente, ya que un cuadro de RMf dura aproximadamente 2 segundos. Sin embargo, la respuesta temporal del suministro de sangre, que es la base de la RMf, es pobre en relación con las señales eléctricas que definen la comunicación neuronal. Por lo tanto, algunos grupos de investigación están trabajando para solucionar este problema combinando la RMf con técnicas de recopilación de datos como la Electroencefalografía (EEG) o la Magnetoencefalografía (MEG), que tienen una resolución temporal mucho mayor pero una resolución espacial bastante peor.

Tomografía por Emisión de Positrones (PET)

La tomografía por emisión de positrones, también llamada imagen PET o exploración PET, es un examen de diagnóstico que implica la adquisición de imágenes fisiológicas basadas en la detección de radiación de la emisión de positrones. Actualmente es la forma más efectiva de detectar recurrencias de cáncer. Los positrones son pequeñas partículas emitidas por una sustancia radiactiva administrada al paciente. Este radiofármaco se inyecta al paciente y sus emisiones se miden mediante un escáner PET. Un escáner PET consta de una matriz de detectores que rodean al paciente. Utilizando las señales de rayos gamma emitidas por el radionúclido inyectado, la PET mide la cantidad de actividad metabólica en un sitio del cuerpo y una computadora reensambla las señales en imágenes.

La capacidad de la PET para medir el metabolismo es muy útil para diagnosticar la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson, la epilepsia y otras afecciones neurológicas, ya que puede ilustrar con precisión áreas donde la actividad cerebral difiere de la norma. También es uno de los métodos más precisos disponibles para localizar áreas del cerebro que causan convulsiones epilépticas y para determinar si la cirugía es una opción de tratamiento. La PET a menudo se utiliza en conjunto con una RM o una TAC mediante “fusión” para obtener una vista tridimensional completa de un órgano.

Métodos de Registro Electromagnético

Los métodos que hemos mencionado hasta ahora examinan la actividad metabólica del cerebro. Pero también hay otros casos en los que se desea medir la actividad eléctrica del cerebro o los campos magnéticos producidos por la actividad eléctrica. Los métodos que discutimos hasta ahora hacen un gran trabajo identificando dónde ocurre la actividad en el cerebro. Una desventaja de estos métodos es que no miden la actividad cerebral milisegundo a milisegundo. Esta medición se puede realizar mediante métodos de registro electromagnético, por ejemplo, mediante registro de célula única o Electroencefalografía (EEG). Estos métodos miden la actividad cerebral muy rápido y durante un período de tiempo más largo, por lo que pueden proporcionar una muy buena resolución temporal.

Registro de Célula Única

Al utilizar el método de célula única, se coloca un electrodo dentro de una célula del cerebro en la que queremos centrar nuestra atención. Ahora, es posible que el experimentador registre la salida eléctrica de la célula contactada por la punta expuesta del electrodo. Esto es útil para estudiar las corrientes iónicas subyacentes responsables del potencial de reposo de la célula. El objetivo de los investigadores es determinar, por ejemplo, si la célula responde a la información sensorial de solo detalles específicos del mundo o de muchos estímulos. Así, podríamos determinar si la célula es sensible a la entrada en una sola modalidad sensorial o es multimodal en su sensibilidad. También se puede averiguar qué propiedades de un estímulo hacen que las células en esas regiones disparen. Además, podemos averiguar si la atención del animal hacia un determinado estímulo influye en la respuesta de la célula.

Los estudios de célula única no son muy útiles para estudiar el cerebro humano, ya que es demasiado invasivo para ser un método común. Por lo tanto, este método se utiliza con mayor frecuencia en animales. Solo hay algunos casos en los que el registro de célula única también se aplica en humanos. Las personas con epilepsia a veces se les extirpa el tejido epiléptico. Una semana antes de la cirugía, se implantan electrodos en el cerebro o se colocan en la superficie del cerebro durante la cirugía para aislar mejor la fuente de la actividad convulsiva. Así, utilizando este método, se puede disminuir la posibilidad de que se eliminen tejidos útiles. Debido a las limitaciones de este método en humanos, existen otros métodos que miden la actividad eléctrica. Estos son los que discutiremos a continuación.

Electroencefalografía (EEG)

Una de las técnicas más famosas para estudiar la actividad cerebral es probablemente la Electroencefalografía (EEG). La mayoría de la gente la conoce como una técnica que se utiliza clínicamente para detectar actividad aberrante como la epilepsia y otros trastornos.

De manera experimental, esta técnica se utiliza para mostrar la actividad cerebral en ciertos estados psicológicos, como alerta o somnolencia. Para medir la actividad cerebral, se colocan electrodos mentales en el cuero cabelludo. Cada electrodo, también conocido como derivación, realiza un registro propio. A continuación, se necesita una referencia que proporcione una línea de base para comparar este valor con cada uno de los electrodos de registro. Este electrodo no debe cubrir músculos porque sus contracciones son inducidas por señales eléctricas. Por lo general, se coloca en el “hueso mastoideo”, que se encuentra detrás de la oreja.

Durante el EEG, los electrodos se colocan de la siguiente manera: sobre el hemisferio derecho, los electrodos se etiquetan con números pares; los números impares se utilizan para los del hemisferio izquierdo; los de la línea media se etiquetan con una 'z'. Las letras mayúsculas indican la ubicación del electrodo (C=central, F=frontal, Fp= polo frontal, O= occipital, P= parietal y T= temporal).

Después de colocar cada electrodo en la posición correcta, se puede medir el potencial eléctrico. Este potencial eléctrico tiene un voltaje particular y, además, una frecuencia particular. En consecuencia, la frecuencia y la forma de la señal EEG pueden diferir según el estado de una persona. Si una persona está despierta, se puede reconocer la actividad beta, lo que significa que la frecuencia es relativamente rápida. Justo antes de que alguien se duerma, se puede observar actividad alfa, que tiene una frecuencia más lenta. Las frecuencias más lentas se llaman actividad delta, que ocurre durante el sueño. Los pacientes que sufren epilepsia muestran un aumento de la amplitud del disparo neuronal que se puede observar en el registro de EEG. Además, el EEG también se puede utilizar para ayudar a responder preguntas experimentales. En el caso de la emoción, por ejemplo, se puede ver que hay una mayor supresión alfa sobre las áreas frontales derechas que sobre las izquierdas en el caso de la depresión. De esto se puede concluir que la depresión se acompaña de una mayor activación de las regiones frontales derechas que de las regiones frontales izquierdas.

La desventaja del EEG es que la conductividad eléctrica y, por lo tanto, los potenciales eléctricos medidos varían ampliamente de persona a persona y también con el tiempo. Esto se debe a que todos los tejidos (materia cerebral, sangre, huesos, etc.) tienen diferentes conductividades para las señales eléctricas. Por eso, a veces no está claro de qué región cerebral exacta proviene la señal eléctrica.

Potenciales Relacionados con Eventos (PRE o ERP)

Mientras que los registros de EEG proporcionan una medida continua de la actividad cerebral, los potenciales relacionados con eventos (PRE) son registros que están vinculados a la ocurrencia de un evento. La presentación de un estímulo, por ejemplo, sería un evento así. Cuando se presenta un estímulo, los electrodos, que se colocan en el cuero cabelludo de una persona, registran cambios en el cerebro generados por miles de neuronas debajo de los electrodos. Al medir la respuesta del cerebro a un evento, podemos aprender cómo se procesan diferentes tipos de información.

Representar las palabras 'comer' o 'hornear', por ejemplo, provoca un potencial positivo alrededor de los 200 ms. De esto se puede concluir que nuestro cerebro procesa estas palabras 200 ms después de presentarlas. Este potencial positivo es seguido por uno negativo alrededor de los 400 ms. Este también se llama N400 (donde N significa negativo y 400 el tiempo). En general, se puede decir que hay una letra P o N para denotar si la desviación de la señal eléctrica es positiva o negativa, y un número que representa, en promedio, cuántos cientos de milisegundos después de la presentación del estímulo aparece el componente. El potencial relacionado con eventos muestra un interés especial para los investigadores porque los diferentes componentes de la respuesta indican diferentes aspectos del procesamiento cognitivo. Por ejemplo, al presentar las oraciones “Los gatos no comerán” y “El gato no horneará”, la respuesta N400 para la palabra “comer” es menor que para la palabra “hornear”. De esto se puede deducir que nuestro cerebro necesita 400 ms para registrar información sobre el significado de una palabra. Además, se puede averiguar dónde ocurre esta actividad en el cerebro, observando la posición en el cuero cabelludo de los electrodos que recogen la mayor respuesta.

Magnetoencefalografía (MEG)

La Magnetoencefalografía (MEG) está relacionada con la electroencefalografía (EEG). Sin embargo, en lugar de registrar potenciales eléctricos en el cuero cabelludo, utiliza potenciales magnéticos cerca del cuero cabelludo para indexar la actividad cerebral. Para localizar un dipolo, se puede usar el campo magnético, ya que el dipolo muestra excelentemente la intensidad del campo magnético. Utilizando dispositivos llamados SQUID (dispositivo de interferencia cuántica superconductora) se pueden registrar estos campos magnéticos.

La MEG se utiliza principalmente para localizar la fuente de la actividad epiléptica y para localizar las cortezas sensoriales primarias. Esto es útil porque al localizarlas se pueden evitar durante la intervención neurológica. Además, la MEG se puede utilizar para comprender mejor la neurofisiología subyacente a los trastornos psiquiátricos como la esquizofrenia. Adicionalmente, la MEG también se puede utilizar para examinar una variedad de procesos cognitivos, como el lenguaje, el reconocimiento de objetos y el procesamiento espacial, entre otros, en personas neurológicamente intactas.

La MEG tiene algunas ventajas sobre el EEG. Primero, los campos magnéticos están menos influenciados que las corrientes eléctricas por la conducción a través de los tejidos cerebrales, el líquido cefalorraquídeo, el cráneo y el cuero cabelludo. Segundo, la intensidad del campo magnético puede darnos información sobre cuán profunda dentro del cerebro se encuentra la fuente. Sin embargo, la MEG también tiene algunas desventajas. El campo magnético en el cerebro es aproximadamente 100 millones de veces más pequeño que el de la Tierra. Debido a esto, se requieren salas blindadas, hechas de aluminio. Esto hace que la MEG sea más cara. Otra desventaja es que la MEG no puede detectar la actividad de células con ciertas orientaciones dentro del cerebro. Por ejemplo, los campos magnéticos creados por células con ejes largos radiales a la superficie serán invisibles.

Técnicas para Modular la Actividad Cerebral

Estas técnicas permiten influir directamente en la actividad neuronal de regiones cerebrales específicas.

Estimulación Magnética Transcraneal (EMT o TMS)

La EMT (Estimulación Magnética Transcraneal) es una técnica importante para modular la actividad cerebral. El primer dispositivo de EMT moderno fue desarrollado por Antony Baker en 1985 en Sheffield después de 8 años de investigación. El campo se ha desarrollado rápidamente desde entonces, con muchos investigadores utilizando la EMT para estudiar una variedad de funciones cerebrales. Hoy en día, los investigadores también intentan desarrollar aplicaciones clínicas de la EMT, ya que tiene efectos duraderos en la actividad cerebral y se ha considerado como una posible alternativa a la medicación antidepresiva.

El método de EMT utiliza el principio de inducción electromagnética en una región cerebral aislada. Se sostiene un electroimán de bobina de alambre sobre la cabeza fija del sujeto. Al inducir cambios pequeños, localizados y reversibles en el tejido cerebral vivo, se pueden afectar especialmente las partes subyacentes directas de la corteza motora. Al alterar los patrones de disparo de las neuronas, el área cerebral influenciada se desactiva. La EMT repetitiva (EMTr) describe, como su nombre indica, la aplicación de muchas estimulaciones eléctricas cortas con alta frecuencia y es más común que la EMT. Los efectos de este procedimiento duran hasta semanas y el método se utiliza en la mayoría de los casos en combinación con métodos de medición, por ejemplo, para estudiar los efectos en detalle.

La EMT proporciona más evidencia sobre la funcionalidad de ciertas áreas cerebrales que los métodos de medición por sí solos. Fue un método muy útil para mapear la corteza motora. Por ejemplo, mientras se aplica EMTr a la corteza prefrontal, el paciente no puede construir memoria a corto plazo. Esto determina que la corteza prefrontal está directamente involucrada en el proceso de memoria a corto plazo. Por el contrario, los métodos de medición por sí solos solo pueden investigar una correlación entre los procesos.

Dado que investigadores incluso anteriores eran conscientes de que la EMT podía causar supresión de la percepción visual, detención del habla y parestesias, la EMT se ha utilizado para mapear funciones cerebrales específicas en áreas distintas a la corteza motora. Varios grupos han aplicado la EMT al estudio del procesamiento de información visual, la producción del lenguaje, la memoria, la atención, el tiempo de reacción e incluso funciones cerebrales más sutiles como el estado de ánimo y la emoción. Sin embargo, los efectos a largo plazo de la EMT en el cerebro no se han investigado adecuadamente. Por lo tanto, aún no se realizan experimentos en regiones cerebrales más profundas como el hipotálamo o el hipocampo en humanos. Aunque la utilidad potencial de la EMT como herramienta de tratamiento en varios trastornos neuropsiquiátricos está aumentando rápidamente, su uso en la depresión es la aplicación clínica más estudiada hasta la fecha.

Por ejemplo, en 1994, George y Wassermann hipotetizaron que la estimulación intermitente de importantes regiones de la corteza prefrontal también podría causar cambios descendentes en la función neuronal que resultarían en una respuesta antidepresiva. Aquí nuevamente, los efectos del método no están lo suficientemente claros como para usarlo en tratamientos clínicos hoy en día. Aunque es demasiado pronto para decir si la EMT tiene efectos terapéuticos duraderos, esta herramienta ha abierto claramente nuevas esperanzas para la exploración clínica y el tratamiento de diversas afecciones psiquiátricas. Es crucial seguir investigando para comprender los fenómenos mentales normales y cómo la EMT afecta estas áreas. Un área críticamente importante que finalmente guiará los parámetros clínicos es combinar la EMT con imágenes funcionales para monitorear directamente los efectos de la EMT en el cerebro. Dado que parece que la EMT a diferentes frecuencias tiene efectos divergentes en la actividad cerebral, la EMT con imágenes cerebrales funcionales será útil para delinear mejor no solo la neuropsicología conductual de varios síndromes psiquiátricos, sino también algunos de los circuitos fisiopatológicos en el cerebro.

Estimulación Transcraneal con Corriente Directa (ETCD o tDCS)

La ETCD (Estimulación Transcraneal con Corriente Directa) tiene un principio similar a la técnica de EMT. Al igual que la EMT, es un método de estimulación no invasivo e indoloro. La excitabilidad de las regiones cerebrales se modula mediante la aplicación de una corriente eléctrica débil.

Se observó por primera vez que la corriente eléctrica aplicada al cráneo aliviaba el dolor. Scribonius Largus, médico de la corte del emperador romano Claudio, descubrió que la corriente liberada por la raya eléctrica tenía efectos positivos en los dolores de cabeza. En la Edad Media se utilizó la misma propiedad de otro pez, el bagre eléctrico, para tratar la epilepsia. Alrededor de 1800 surgió el llamado galvanismo (relacionado con los efectos de la electrofisiología actual). Científicos como Giovanni Aldini experimentaron con efectos eléctricos en el cerebro. Una aplicación médica de sus hallazgos fue el tratamiento de la melancolía. Durante el siglo XX, entre neurólogos y psiquiatras, la estimulación eléctrica fue un método controvertido pero, sin embargo, muy extendido para el tratamiento de varios tipos de trastornos mentales (por ejemplo, la terapia electroconvulsiva de Ugo Cerletti).

El mecanismo de la ETCD funciona mediante la fijación de dos electrodos en el cráneo. Aproximadamente el 50 por ciento de la corriente directa aplicada al cráneo llega al cerebro. La corriente aplicada por una batería de corriente directa suele ser de alrededor de 1 a 2 mA. La modulación de la actividad de las regiones cerebrales depende del valor de la corriente, la duración de la estimulación y la dirección del flujo de corriente. Mientras que los dos primeros influyen principalmente en la fuerza de la modulación y su permanencia más allá de la estimulación real, el último diferencia la modulación en sí misma. La dirección de la corriente (anódica o catódica) se define por la polaridad y posición de los electrodos. Dentro de la ETCD existen dos formas distintas de estimulación. Con la estimulación anódica, el ánodo se coloca cerca de la región cerebral a estimular, y de forma análoga para la estimulación catódica, el cátodo se coloca cerca de la región objetivo. El efecto de la estimulación anódica es que la carga positiva conduce a la despolarización en el potencial de membrana de las regiones cerebrales aplicadas, mientras que la hiperpolarización ocurre en el caso de la estimulación catódica debido a la carga negativa aplicada. De este modo, se modula la actividad cerebral. La estimulación anódica conduce a una actividad generalmente mayor en la región cerebral estimulada. Este resultado también se puede verificar con escáneres de RM, donde un aumento del flujo sanguíneo en la región objetivo indica una estimulación anódica exitosa.

Las aplicaciones de la ETCD son diversas. Van desde la identificación y conexión de regiones cerebrales con funciones cognitivas hasta el tratamiento de trastornos mentales. En comparación con la EMT, una ventaja de la ETCD es que no solo puede modular la actividad cerebral disminuyéndola, sino que también tiene la posibilidad de aumentar la actividad de una región cerebral objetivo. Por lo tanto, el método podría proporcionar un tratamiento aún más adecuado para trastornos mentales como la depresión. El método ETCD también ha demostrado ser útil para pacientes con accidentes cerebrovasculares apopléticos al mejorar las habilidades motoras.

Métodos Conductuales

Además de utilizar métodos para medir la fisiología y anatomía del cerebro, también es importante contar con técnicas para analizar el comportamiento con el fin de obtener una mejor comprensión de la cognición. En comparación con los métodos neurocientíficos, que se concentran en la actividad neuronal de las regiones cerebrales, los métodos conductuales se centran en el comportamiento manifiesto de una persona de prueba. Esto se puede lograr mediante métodos conductuales bien definidos (por ejemplo, seguimiento ocular), baterías de pruebas (por ejemplo, pruebas de CI) o mediciones diseñadas para responder preguntas específicas sobre el comportamiento humano.

Además, los métodos conductuales se utilizan a menudo en combinación con todo tipo de métodos neurocientíficos mencionados anteriormente. Siempre que haya una reacción manifiesta a un estímulo (por ejemplo, una imagen), estos métodos conductuales pueden ser útiles. Otro objetivo de una prueba conductual es examinar en qué medida el daño del sistema nervioso central influye en las habilidades cognitivas.

Concepto de una Prueba Conductual

Las pruebas se realizan para dar respuesta a ciertas preguntas sobre el comportamiento humano. Para encontrar una respuesta a esa pregunta, se debe desarrollar una estrategia de prueba. Primero, se debe considerar cuidadosamente cómo diseñar la prueba de la mejor manera para que los resultados de la medición proporcionen una respuesta precisa a la pregunta inicial. ¿Cómo se puede realizar la prueba para que las variables de confusión sean mínimas y el enfoque realmente esté en el problema? Cuando se encuentra una disposición de prueba adecuada, la definición de las variables de prueba es la siguiente parte. La prueba se realiza y probablemente se repite hasta que se recopila una cantidad suficiente de datos. El siguiente paso es la evaluación de los datos resultantes con los métodos estadísticos adecuados. Si la prueba revela un resultado significativo, podría ser el caso que surjan más preguntas sobre la actividad neuronal subyacente al comportamiento. Entonces los métodos neurocientíficos son útiles para investigar actividades cerebrales correlacionadas. Los métodos que han demostrado proporcionar buena evidencia para una cierta pregunta recurrente sobre las habilidades cognitivas de los sujetos pueden agruparse en una batería de pruebas.

Ejemplo: Pregunta: ¿Un entorno ruidoso afecta la capacidad de resolver un determinado problema? Posible diseño de prueba: Exponer a la mitad de los sujetos a un entorno silencioso mientras resuelven la misma tarea que la otra mitad en un entorno ruidoso. En este ejemplo, las variables de confusión podrían ser diferentes habilidades cognitivas de los participantes. Las variables de prueba podrían ser el tiempo necesario para resolver el problema y el volumen del ruido, etc. Si la evaluación estadística muestra significancia: Probables preguntas adicionales: ¿Cómo afecta el ruido a las actividades cerebrales a nivel neuronal?

Baterías de Pruebas Neuropsicológicas

Una evaluación neuropsicológica se puede lograr a través del enfoque de batería de pruebas, que proporciona una visión general de las fortalezas y debilidades cognitivas de una persona mediante el análisis de diferentes habilidades cognitivas. Una batería de pruebas neuropsicológicas es utilizada por neurofisiólogos para descubrir disfunciones cerebrales, surgidas de trastornos neurológicos o psiquiátricos. Estas baterías no solo evalúan diversas funciones mentales, sino también la inteligencia general de una persona.

El propósito de las siguientes baterías es determinar si una persona sufre daño cerebral o no, y funcionan bien para discriminar a personas con daño cerebral de pacientes neurológicamente afectados, pero peor cuando se trata de discriminarlos de personas con trastornos psiquiátricos. La batería Halstead-Reitan es la más popular, donde las habilidades evaluadas van desde el procesamiento sensorial básico hasta pruebas que requieren razonamiento complejo. Además, la batería Halstead-Reitan proporciona información sobre qué causó el daño, las áreas cerebrales que resultaron dañadas y proporciona información sobre la etapa que ha alcanzado el daño. Dicha información es muy útil para el desarrollo de un programa de rehabilitación. Otra batería de pruebas, la batería Luria-Nebraska, es el doble de rápida de administrar que la Halstead-Reitan, y las pruebas se ordenan según doce escalas de contenido (por ejemplo, funciones motoras, lectura, memoria, etc.). Estas baterías de pruebas no solo se centran en los resultados de los datos, que evalúan el nivel absoluto de rendimiento, sino que, además, prestan atención a los datos sobre la manera cualitativa del rendimiento, y esto es útil para obtener una mejor comprensión del deterioro cognitivo.

Otro ejemplo de baterías de pruebas es la determinación de la inteligencia (prueba de CI). Las pruebas más utilizadas para estimar la inteligencia de una persona son las pruebas de inteligencia de la familia Wechsler. Aquí hay un ejemplo de una de ellas: la prueba WAIS-III, en la que se evalúan diversas habilidades cognitivas de niños entre 6 y 16 años. Primero, el índice de comprensión verbal, que se evalúa según el rendimiento en vocabulario, similitudes e información; segundo, el índice de corteza perceptual, que analiza habilidades no verbales (por ejemplo, integración visual-motora); tercero, el índice de memoria de trabajo, que se evalúa según la amplitud de dígitos de una persona, el rendimiento aritmético y los subtests de ensamblaje de objetos; por último, está el índice de velocidad de procesamiento, según la codificación de dígitos-símbolos y la secuenciación de letras-números.

Procedimiento de Seguimiento Ocular (Eye Tracking)

Otro procedimiento importante para analizar el comportamiento y la cognición es el Eye Tracking (seguimiento ocular). Este es un procedimiento para medir dónde estamos mirando (el punto de fijación) o el movimiento de un ojo en relación con la cabeza. Existen diferentes técnicas para medir el movimiento de los ojos, y el instrumento que realiza el seguimiento se llama rastreador.

El seguimiento ocular es un estudio con una larga historia, que se remonta al siglo XIX. En 1879, Louis Emile Javal notó que la lectura no implica un movimiento suave y continuo del ojo a lo largo del texto, sino una serie de paradas cortas llamadas fijaciones. Esta observación es uno de los primeros intentos de examinar las direcciones de interés del ojo. El libro de Alfred L. Yarbus, publicado en 1967 después de una importante investigación de seguimiento ocular, es una de las publicaciones de seguimiento ocular más citadas.

El procedimiento de seguimiento ocular no es tan complicado. Se utilizan con frecuencia rastreadores oculares basados en video. Una cámara enfoca uno o ambos ojos y registra los movimientos mientras el espectador mira algún estímulo. Los rastreadores oculares más modernos utilizan el contraste para localizar el centro de la pupila y crear reflejos corneales utilizando luz infrarroja o casi infrarroja no colimada.

También hay dos tipos generales de técnicas de seguimiento ocular. La primera, la Pupila Brillante, es un efecto similar al efecto de ojos rojos y aparece cuando la fuente de iluminación está alineada con el camino óptico, mientras que cuando la fuente está desviada del camino óptico, la pupila aparece oscura (Pupila Oscura). La Pupila Brillante crea un gran contraste entre el iris y la pupila, lo que permite el seguimiento en condiciones de luz desde la oscuridad hasta muy brillante, pero no es efectiva para el seguimiento en exteriores. También existen diferentes técnicas de configuración de seguimiento ocular. Algunas se montan en la cabeza, algunas requieren que la cabeza esté estable y algunas rastrean automáticamente la cabeza durante el movimiento. La frecuencia de muestreo de la mayoría de ellas es de 30 Hz, pero cuando hay movimientos oculares rápidos, por ejemplo durante la lectura, el rastreador debe funcionar a 240, 350 o incluso 1000-1250 Hz para capturar los detalles del movimiento.

Los movimientos oculares se dividen en fijaciones y sacadas. Cuando el movimiento ocular se detiene en una posición determinada, hay una fijación, y hay una sacada cuando se mueve a otra posición. La serie resultante de fijaciones y sacadas se llama trayectoria de exploración. Curiosamente, la mayor parte de la información del ojo se recibe durante una fijación y no durante una sacada. La fijación dura aproximadamente 200 ms durante la lectura de un texto y aproximadamente 350 ms durante la visualización de una escena, y una sacada hacia un nuevo objetivo dura aproximadamente 200 ms. Las trayectorias de exploración se utilizan para analizar la intención cognitiva, el interés y la prominencia.

El seguimiento ocular tiene una amplia gama de aplicaciones: se utiliza para estudiar una variedad de procesos cognitivos, principalmente la percepción visual y el procesamiento del lenguaje. También se utiliza en interacciones humano-computadora. También es útil para la investigación de marketing y médica. En los últimos años, el seguimiento ocular ha generado un gran interés en el sector comercial. Los estudios comerciales de seguimiento ocular presentan un estímulo objetivo a los consumidores mientras se utiliza un rastreador para registrar el movimiento del ojo. Algunas de las aplicaciones más recientes se encuentran en el campo del diseño automotriz. El seguimiento ocular puede analizar el nivel de atención de un conductor mientras conduce y prevenir que la somnolencia cause accidentes.

Modelado Cerebro-Comportamiento

Otro método importante utilizado en neurociencia cognitiva es el uso de redes neuronales (técnicas de modelado computacional) para simular la acción del cerebro y sus procesos. Estos modelos ayudan a los investigadores a probar teorías sobre el funcionamiento neuropsicológico y a derivar principios que relacionan el cerebro y el comportamiento.

Para simular funciones mentales en humanos, se pueden utilizar una variedad de modelos computacionales. El componente básico de la mayoría de estos modelos es una “unidad”, que se puede imaginar como un elemento que muestra un comportamiento similar al de una neurona. Estas unidades reciben entrada de otras unidades, que se suman para producir una entrada neta. La entrada neta a una unidad se transforma luego en la salida de esa unidad, utilizando principalmente una función sigmoide. Estas unidades se conectan formando capas. La mayoría de los modelos constan de una capa de entrada, una capa de salida y una capa “oculta”. La capa de entrada simula la captación de información del mundo exterior, la capa de salida simula la respuesta del sistema y la capa “oculta” es responsable de las transformaciones necesarias para realizar el cálculo en investigación. Las unidades de diferentes capas están conectadas a través de pesos de conexión, que muestran el grado de influencia que una unidad en un nivel tiene sobre la unidad en otro.

Lo más interesante e importante de estos modelos es que son capaces de “aprender” sin que se les proporcionen reglas específicas. Esta capacidad de “aprender” se puede comparar con la capacidad humana, por ejemplo, de aprender la lengua materna, porque nadie le dice a uno “las reglas” para poder aprenderla. Los modelos computacionales aprenden extrayendo la regularidad de las relaciones con exposición repetida. Esta exposición ocurre entonces a través del “entrenamiento” en el que los patrones de entrada se proporcionan una y otra vez. El ajuste de “los pesos de conexión entre unidades”, como ya se mencionó, es responsable del aprendizaje dentro del sistema. El aprendizaje ocurre debido a cambios en las interrelaciones entre unidades, cuya ocurrencia se cree que es similar en el sistema nervioso.

Tabla Comparativa de Métodos

Preguntas Frecuentes (FAQ)

¿Cuál es la principal diferencia entre EEG y RMf?
La principal diferencia radica en lo que miden y su resolución. El EEG mide la actividad eléctrica directa del cerebro con una excelente resolución temporal (milisegundos), pero pobre resolución espacial (dificultad para saber exactamente dónde se origina la señal). La RMf mide la actividad cerebral indirectamente a través de cambios en el flujo sanguíneo (señal BOLD) con buena resolución espacial, pero resolución temporal más lenta (segundos).

¿Qué método es mejor para estudiar la estructura del cerebro?
La Resonancia Magnética (RM) es generalmente considerada superior a la Tomografía Axial Computarizada (TAC) para obtener imágenes detalladas de los tejidos blandos del cerebro debido a su mayor resolución y la ausencia de radiación ionizante.

¿Es el método de lesión todavía relevante hoy en día?
Sí, aunque las lesiones naturales en humanos son impredecibles, el estudio de pacientes con daños cerebrales específicos (como los causados por accidentes cerebrovasculares) sigue siendo una fuente crucial de información sobre la relación entre áreas cerebrales y funciones cognitivas. Además, los estudios controlados de lesiones en animales de laboratorio continúan siendo una herramienta poderosa.

¿Se pueden estimular las áreas cerebrales con fines de investigación o terapéuticos?
Sí, técnicas como la EMT (Estimulación Magnética Transcraneal) y la ETCD (Estimulación Transcraneal con Corriente Directa) permiten modular o estimular la actividad de regiones cerebrales específicas de forma no invasiva. Se utilizan tanto en investigación para estudiar la función de un área como experimentalmente para tratar ciertas afecciones neurológicas o psiquiátricas.

¿Qué son los métodos conductuales y por qué son importantes?
Los métodos conductuales se centran en observar y medir el comportamiento manifiesto de un individuo en respuesta a ciertas tareas o estímulos (como pruebas de memoria, tiempo de reacción o seguimiento ocular). Son fundamentales porque la neurociencia cognitiva estudia la relación cerebro-comportamiento; medir solo la actividad cerebral sin evaluar la conducta no proporciona una imagen completa. A menudo se combinan métodos conductuales con técnicas de neuroimagen o electrofisiología.

¿Son seguros estos métodos de investigación?
La mayoría de los métodos modernos utilizados en humanos (RM, RMf, EEG, MEG, EMT, ETCD, Eye Tracking) son considerados seguros y no invasivos o mínimamente invasivos. Siempre existen precauciones y contraindicaciones específicas para cada técnica (por ejemplo, implantes metálicos para RM, epilepsia para EMT), y la exposición a la radiación en TAC y PET se mantiene lo más baja posible y se considera el riesgo-beneficio. El registro de célula única es invasivo y se limita principalmente a estudios en animales o a contextos clínicos muy específicos en humanos.

¿Qué papel juega el modelado computacional en la neurociencia?
Los modelos computacionales, como las redes neuronales artificiales, se utilizan para simular procesos cerebrales y cognitivos. Permiten a los investigadores poner a prueba teorías sobre cómo funcionan los circuitos neuronales y cómo emergen los comportamientos a partir de la interacción de unidades neuronales. Ayudan a comprender los principios subyacentes a la relación cerebro-comportamiento y a generar nuevas hipótesis.

Conclusión

La investigación en neurociencia cognitiva se apoya en un arsenal diverso y sofisticado de métodos. Desde el análisis histórico de las lesiones cerebrales hasta las avanzadas técnicas de imagen funcional y modulación, cada herramienta ofrece una perspectiva única sobre el funcionamiento del cerebro. La combinación de estos métodos, junto con un riguroso análisis conductual y el modelado computacional, nos permite avanzar continuamente en nuestra comprensión de cómo la actividad cerebral da forma a nuestra experiencia, pensamiento y acción. Este campo en constante evolución promete seguir revelando los intrincados mecanismos que subyacen a la mente humana.

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