Revisión

Neuropsicología y la localización de las funciones cerebrales superiores en estudios de resonancia magnética funcional con tareas

Neuropsychology and the localization of superior brain functions in fMRI with task studies

Amelia Cabrales Paffen (1)

(1) Ms. Neuropsicología. Centro Médico de la Clínica de Occidente. Cali, Colombia.

Recibido: 30/03/14. Aceptado: 6/01/15.
Correspondencia: Amelia Cabrales: ameliacabrales@gmail.com

Resumen

El objetivo es destacar la capacidad de la resonancia magnética funcional con tareas para evaluar diversas funciones cerebrales superiores, mediante la ejecución de paradigmas que producen activación cerebral de las regiones involucradas. Resaltar la importancia del neuropsicólogo en la creación de paradigmas y en la interpretación de los resultados.

Se realizó una revisión no sistemática de la literatura científica recogida en las bases de datos de: Rev Neurol, Neurology, Radiología, Neuroimage, J Neuroimaging, Science, Brain, Neuroscience and biobehavioral reviews, journal of neuroscience, Eur J Radiol, Magnetic resonance in medicine, Neurosurgery, Neuroimagingclin, Neuropsidologia latinoamericana, International journal of neuroscience, Science, Biol Psychiatry, Psychol Med, Arch Gen Psychiatry, Psychiatry Res Neuroimaging, Neuro Report, Neuron, J ClinExpNeuropsychol, Proc Natl Acad Sci U S A, Ann Neurol Neurobiol Aging, Neurosci Lett, Journal of Neuroscience. Los descriptores utilizados fueron “Resonancia magnética funcional”, “Paradigmas” y “Neuropsicología”. Se seleccionaron los artículos científicos de cualquier tipo y en español e inglés; desde el inicio de la indización de la fuente primaria hasta noviembre de 2014.

Se recuperaron 42 artículos. Se analizaron todos los conceptos sobre resonancia magnética funcional, neuropsicología, funciones cerebrales superiores, áreas cerebrales activadas, paradigmas.

Los mapas de activación neuronal confirman la participación simultánea de diferentes áreas cerebrales, incluso distantes, durante la ejecución de paradigmas. La participación del neuropsicólogo dentro del grupo multidisciplinario es muy importante por su conocimiento profundo de los factores involucrados en el desempeño de las diferentes tareas cognitivas potencialmente evaluables por resonancia magnética funcional.

Palabra clave: Neuropsicólogo, Paradigma, Áreas cerebrales, Funciones cerebrales superiores, Resonancia magnética funcional (DeCS).

Summary

To highlight the capacity of functional magnetic resonance imaging (fMRI) with tasks in order to measure different higher brain functions by running paradigms that produce brain activation in the regions involved. Highlighting the importance of the neuropsychologist in creating paradigms and interpreting results.

A non-systematic review of the scientific literature contained in the databases was conducted: Rev Neurol, Neurology, Radiología, Neuroimage, J Neuroimaging, Science, Brain, Neuroscience and biobehavioral reviews, journal of neuroscience, Eur J Radiol, Magnetic Resonance in Medicine, Neurosurgery, Neuroimagingclin, Neuropsicologia Latinoamericana, International Journal of Neuroscience, Biol Psychiatry, Psychol Med, Arch Gen Psychiatry, Psychiatry Res Neuroimaging, Neuro Report, Neuron, J ClinExpNeuropsychol , Proc Natl Acad Sci U S A, Ann Neurol Neurobiol Aging, Neurosci Lett, Journal of Neuroscience. The descriptors used were: “functional MRI”, “Paradigms” and “Neuropsychology”. Papers in Spanish and English of any kind were selected since the start of indexing the primary source until November 2014. 42 articles were retrieved. The following concepts were analyzed: functional magnetic resonance imaging, neuropsychology, higher brain functions, activated brain areas paradigms. The neural activation maps confirm the simultaneous involvement of different brain areas, even distant ones, during the execution of paradigms. Neuropsychologist participation within the multidisciplinary team is very important for its deep understanding of the factors involved in the performance of different cognitive tasks potentially assessable by fMRI.

Key words. Neuropsychologist, Paradigm, Brain areas, Higher brain functions, Functional magnetic resonance imaging (fMRI) (MeSH).

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. Una de esas teorías 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”. Por su parte, el psiquiatra Alemán Carl Wernicke, asoció el tercio posterior del giro temporal superior izquierdo con la comprensión del lenguaje oral, proponiendo “el centro de las imágenes sensoriales de las palabras” (1).

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 (1). Posteriormente, Aleksandr Luria, tomando como base las teorías de Jackson, Vygotsky, Pavlov, Berstein y otros, plantea que para entender el funcionamiento del cerebro se debían reconsiderar todos los conceptos existentes de la época, en cuanto a la relación cerebro-funciones cerebrales.

Cuando se habla de función cerebral superior, esta debe entenderse como un sistema funcional complejo y no como una función aislada; así, por ejemplo, no debe entenderse como análoga a la tiroides y la secreción de tiroxina, sino como similar al sistema respiratorio, que incluye muchos órganos del cuerpo funcionando al mismo tiempo y cada uno realiza una función específica que resulta necesaria para el proceso final, respirar (2). 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" (3). Por ejemplo, para realizar una actividad cognitiva como leer se requiere de varios componentes cerebrales, como: 1. control inhibitorio del comportamiento y la atención, ejecutado por los lóbulos frontales, 2. análisis visual que permita el reconocimiento y discriminación de los grafemas y palabras, actividad que ejecuta el lóbulo occipital, 3. discriminación de grafemas similares y el espacio dentro de la hoja, ejecutado por áreas temporo-parieto-occipitales, y 4. comprensión del sentido y signos de puntuación, ejecutado por los lóbulos frontales, etc. (2).

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. La realización de cada acción o actividad cognitiva requiere de la participación de diversos factores neuropsicológicos, es decir, de la activación de diferentes zonas cerebrales, las cuales constituyen un sistema funcional complejo (2, 3).

En la Tabla 1 se presentan algunos factores que participan en las diversas tareas cognitivas, su función y las áreas cerebrales que involucran (4). Se considera que estos factores son insuficientes para explicar todos los procesos cognitivos, en especial los más elaborados como: abstracción, análisis, síntesis, toma de decisiones, etc.

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 se lleva a cabo a través de la evaluación con test o baterías neuropsicológicas(2). 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(5), en especial la resonancia magnética funcional, que permite el estudio de los cambios fisiológicos del cerebro relacionados con procesos mentales durante la ejecución de una tarea (6). Si partimos de la perspectiva de la neuropsicología tradicional, en la que a cada sistema funcional (constituido por diversos factores cognitivos, entendidos como etapas de procesamiento) le corresponde un sistema cerebral (trabajo de diferentes regiones), entonces podemos establecer que la información que obtendremos de las imágenes de resonancia magnética funcional estará orientada a conocer los sustratos anatómicos de los factores (7).

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 (8, 9). La popularidad de esta técnica se puede ver en múltiples trabajos de investigación en la literatura científica, aunque no todos los trabajos llegan a las mismas conclusiones. Algunos de estos trabajos son:

- Estudios con pacientes con trastorno obsesivo compulsivo (TOC) (10-16), donde se hace comparación de 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. Otros autores han encontrado hiperactividad en el córtex cingulado, tanto anterior como posterior.

- Propuestas respecto de pacientes con diagnóstico de esquizofrenia (17-20) y alucinaciones auditivas en la esquizofrenia, que afirman que a la base de las alucinaciones habría una disfunción de las redes neuronales responsables de la generación del lenguaje oral mediante una activación en paralelo de las áreas de la percepción del lenguaje externo (córtex auditivo-lingüístico) y de las áreas motoras implicadas en el lenguaje subvocal.

- Estudios con esclerosis múltiple (21, 22), utilizando distintos paradigmas para evaluar procesos como: memoria de trabajo y velocidad de procesamiento, en los que 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 cuando presentan un deterioro cognitivo “leve”, es decir, que logran concluir con éxito las tareas propuestas pero requieren activar más áreas cerebrales que una persona sana, lo cual se ha definido como activación compensatoria. Además, los patrones de desactivación en reposo (red neural por defecto o en inglés default-mode network) son distintos en estos pacientes, no son inversamente proporcionales al patrón de activación, sobre todo en pacientes con el fenotipo primaria progresiva. (23-25).

- Investigaciones que proponen a los estudios de resonancia magnética funcional como biomarcador para el diagnóstico de enfermedad de Alzheimer temprana. Se ha logrado establecer con tareas de memoria episódica que las áreas que se activan en sujetos sanos son las del lóbulo temporal medial incluyendo activación del hipocampo y estructuras relacionadas (26-29). 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. (30, 31).

En Colombia el uso de la resonancia magnética funcional no es frecuente; se hace ocasionalmente y sólo para establecer la lateralización de las funciones cerebrales superiores para definir mapas quirúrgicos.

Funciones del neuropsicólogo en estudios con resonancia magnética funcional

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. La función del neuropsicólogo para estudios con resonancia magnética funcional es determinante e irremplazable, e incluye aspectos como:

1. Realizar una evaluación neuropsicológica al paciente previa a la resonancia magnética funcional, que permita: establecer un perfil neuropsicológico del paciente y, con esta información, seleccionar los paradigmas apropiados para su evaluación según los hallazgos. Por otro lado, debe permitir que se entrene al paciente para el estudio de resonancia magnética funcional. Es importante establecer el perfil neuropsicológico del paciente porque la resonancia magnética funcional no permite valorar el estado de todos los procesos cognitivos ni tampoco determinar el grado de severidad de una alteración cognitiva. Tampoco se puede conocer el desempeño del sujeto en diferentes tareas como escritura, cálculo escrito y praxias, por la limitación en la movilidad dentro del magneto.
2. Diseño de tareas o paradigmas. 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 mismo, deben estar basados en un sólido conocimiento de los procesos cognitivos a estudiar, así como de sus posibles interacciones con otros procesos que pueden ser reclutados durante el experimento (32).

Existen básicamente dos tipos de diseños:

A. 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 que aseguran su éxito son: duración para obtener una potencia de contraste máxima entre activación y control (generalmente entre 20 y 30 segundos), periodicidad de los bloques (cada 5 segundos y buscando que la condición de reposo coincida con la respiración del evaluado para evitar variables extrañas), número de bloques (a mayor número de bloques, mayor potencia de contraste) y, por último, número de condiciones (4 por cada serie de bloques). El diseño por bloques tiene las ventajas de poder implementarse y analizarse con facilidad y de tener alta potencia estadística.

B. 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 con la probabilidad de baja aparición entre una serie repetitiva de otro estímulo más frecuente, ante el cual no se debe dar ninguna respuesta (33). Los diseños ligado a eventos son menos susceptibles a fenómenos de habituación, expectación y a la disminución de la atención. Sin embargo, comparado con el diseño en bloques, estos diseños tienen una potencia estadística menor (34).

3. Supervisión del paciente mientras ejecuta los paradigmas, para control experimental de las variables externas como cansancio, sueño o desinterés (35).
4. Apoyo en la interpretación de los resultados, estableciendo relación entre las áreas cerebrales activadas y los factores de la función cerebral evaluada por medio de los paradigmas (5).

Aplicaciones y usos de la resonancia magnética funcional en el contexto clínico

Existen diversas áreas y disciplinas donde la resonancia magnética funcional juega un rol importante. Entre las funciones que cumple se encuentran las siguientes:

1. Permite localizar un proceso cognitivo, tanto para definir la organización funcional del cerebro como para planear una cirugía (36,37). 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 (38-40).
2. Permite estudiar el funcionamiento irregular del cerebro en pacientes, estableciendo si hay cambios en las áreas activadas comparados con sujetos sanos. Así, permite caracterizar enfermedades neurológicas y psiquiátricas.
3. Caracteriza las respuestas y función de determinadas regiones del cerebro.
4. Evalúa cómo se dan los procesos de plasticidad cerebral por rehabilitación cognitiva y actividades compensatorias. Por ejemplo, en pacientes con esclerosis múltiple (41), comprensión auditiva en pacientes con afasia (42) y nuevo patrón de conectividad entre hemisferios cerebrales meses después del inicio del tratamiento en paciente con afasia (43).
5. Establece la conectividad funcional y efectiva, que difieren de la conectividad estructural que se observa mediante imágenes de tensor de difusión. Esta conectividad funcional permite estudiar patrones de activación en distintas regiones del cerebro así como su interacción fundamentalmente en patologías neurológicas o psiquiátricas que no se deben a un daño focal, sino a alteraciones en la transferencia de la información entre las regiones neuronales (44,45).
6. Permite hacer seguimiento a tratamientos farmacológicos. Constituya un biomarcador objetivo para evaluar la respuesta terapéutica y el pronóstico de los pacientes (46).
7. Permite definir la dominancia hemisférica para funciones cerebrales específicas.

Activación de áreas cerebrales en resonancia magnética funcional ante diferentes tareas cognitivas

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 en la interpretación. Primero, es necesario considerar las diferencias individuales: conocer que pueden presentarse diferentes situaciones que afectan el acoplamiento neurovascular y que generan diferencias entre los individuos en el estado de oxigenación. Entre estas pueden estar la isquemia cerebral crónica, la proliferación de astrocitos debido a una lesión cerebral que causa gliosis, hipertensión arterial, diabetes o hipercolesterolemia y los efectos de algunos medicamentos (47). 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” ampliamente caracterizado en resonancia funcional en estado de reposo. Entre mayor sea el nivel educativo y por ende la reserva cognitiva se observará mayor actividad en el estado de reposo (48). 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 (49). Cuarto, inversamente, el que no se activen algunas áreas esperadas durante la ejecución de una tarea, no permite asumir que no participan en el proceso; es posible que participen pero que esto no sea capturado (50).

Se presentan a continuación, en la Tabla 2, las áreas que se activan ante diferentes paradigmas, obtenidas en estudios con sujetos sanos, sin antecedentes neurológicos, metabólicos, psiquiátricos o que reciban tratamientos farmacológicos.

CONCLUSIONES

La resonancia magnética funcional representa un avance de las neurociencias y está ayudando a dilucidar in vivo el funcionamiento cerebral. Permite, gracias a la activación, la localización de los diferentes factores de las funciones cerebrales en áreas determinadas del cerebro, factores que han sido definidos hasta el momento pero siendo conscientes de que son insuficientes para explicar todos los procesos cognitivos. También permite entender el funcionamiento cerebral en sujetos sanos a diferencia de otras técnicas que solo se realizan cuando se presentan las lesiones y amplía el conocimiento de las enfermedades neurológicas y psiquiátricas, sobre todo de las que no se pueden observar con técnicas de neuroimagen. Esto último quizá hace posible acercar estas especialidades históricamente disociadas.

Gracias a los diferentes mapas de activación cerebral nos acercamos más a la neuropsicología clásica de Luria y nos alejamos del localizacionismo puro, de la frenología o de las voces noéticas de las funciones cerebrales. Se confirma que una tarea cognitiva requiere de varias áreas cerebrales, incluso distantes, trabajando armónicamente, ya que es un sistema funcional. Sin embargo, para entender las redes neuronales estructurales que establecen relación entre las áreas activadas es necesario completar los estudios con imágenes de tensor de difusión.

La función del neuropsicólogo es determinante en la realización de estudios de resonancia funcional con tareas, pues este puede crear los paradigmas gracias al conocimiento sobre las funciones cerebrales superiores y lo que subyace a estas. Así mismo puede independizar los “factores” para evitar contaminación o artefactos que le resten validez al estudio, puede adecuar los paradigmas a las limitaciones del paciente, como el nivel educativo, por ejemplo. Adicionalmente, debe ayudar a controlar al sujeto durante el estudio para evitar la introducción de variables extrañas y apoyar en la interpretación de los resultados.

Agradecimientos

A la doctora Ana Cecilia Londoño, Neuroradiologa, por su asesoría.

Conflicto de intereses

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

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