Resonancia Magnética Funcional y sus Aplicaciones

CIEN la resonancia mag 57
a
a
s
o
a;
30/3/05
08:58
Página 1
CIENCIA, TECNOLOGÍA Y MEDICINA
La resonancia magnética funcional y sus aplicaciones
clínicas
J. Deus i Yelaa,b y M. Baquerob
a
Departamento de Psicología Clínica y de la Salud. Facultad de Psicología. Universidad Autónoma de Barcelona. Barcelona.
b
CETIR Grup Mèdic. Barcelona. España.
U
a
/l
/l
ae
al
na de las aportaciones recientes y más relevantes de la resonancia magnética (RM) a las neurociencias, y por extensión al
ámbito clínico, ha sido la resonancia magnética funcional (RMF)1.
Esta nueva técnica funcional posibilita detectar y localizar de manera incruenta la activación cerebral acontecida al realizar una tarea cognitiva o sensitivomotora1-6. Con esta finalidad, y hasta principios de la década de los noventa, la neuroimagen funcional había
utilizado técnicas cuyo objetivo bien era medir la actividad eléctrica cerebral mediante la electroencefalografía (EEG), y más recientemente mediante la actividad magnética con la magnetoencefalografía (MEG), bien el flujo cerebral y la actividad metabólica mediante la inyección de medios de contraste radiactivos como la
tomografía computarizada por emisión de fotón único (SPECT) y
la tomografía por emisión de positrones (PET)6. No obstante, la
aparición de la RMF ha permitido resolver ciertas limitaciones de
sus predecesores.
Ciertamente, la historia de la RMF es relativamente corta, en
comparación con otros procedimientos de neuroimagen funcional,
y datan de finales de los ochenta y principios de los noventa7,8. La
primera imagen funcional realizada mediante la RMF fue obtenida por Byder y Young, del Hospital de Londres, en 19862,9. Ello
permitió probar la posibilidad de obtener imágenes funcionales
mediante la RM. No obstante, no prosiguieron con la técnica debido a los problemas en la relación entre señal y ruido que ocasionaba el bajo campo magnético, utilizado por aquel entonces, de tan
sólo 0,15 teslas. Posteriormente, en 1991, investigadores del Hospital General de Massachusetts de Boston realizaron las primeras
imágenes funcionales en un sistema de 1,5 teslas, usando la técnica
del eco-planar y gadolinio-DPTA como sustancia de contraste. El
mismo grupo de investigadores en 1992 obtuvo imágenes funcionales de RM, sin ningún tipo de contraste, explotando los cambios
de la señal de resonancia en función de las concentraciones de oxígeno sanguíneo en fase venosa2,9. Utilizando este último procedimiento, en octubre de 1992 el grupo de investigación en neuroimagen del Centro Diagnóstico Pedralbes de Barcelona (CDP) de
CETIR Grup Mèdic obtuvo la primera imagen de RMF, en nuestro país, de la activación funcional de la corteza visual primaria tras
una estimulación luminosa con haces repetidos de luz blanca. Desde entonces, y mayoritariamente con este último procedimiento,
se ha ido demostrando las posibilidades de la RMF para el estudio
de las funciones cognoscitivas in vivo, bien en poblaciones de sujetos normales bien en poblaciones clínicas.
TÉCNICAS DE LA RESONANCIA MAGNÉTICA
FUNCIONAL (RMF)
Se han propuesto diferentes métodos para poder determinar la actividad cerebral con imágenes de RMF. A pesar de sus diferencias,
40
JANO 8-14 ABRIL 2005. VOL. LXVIII N.º 1.560
todos ellos tienen un denominador común. Se basan en la adquisición de las imágenes, durante una misma secuencia, mientras el
paciente está en reposo y mientras realiza una determinada tarea
cognitiva o sensitivomotora. La comparación estadística posterior
entre ambas fases (reposo-activación) representa, en un caso ideal,
los cambios metabólicos y vasculares focales en la corteza cerebral
que entran en funcionamiento durante la ejecución de la tarea1 estudiados bien mediante un paradigma de diseño en bloques bien
relacionado con el evento (event-related)6,10,11.
El primer procedimiento utilizado fue un método de perfusión
basado en la inyección por vía intravenosa de agentes de contraste
paramagnéticos, tales como los quelatos de iones (gadolinio)2. El
tránsito del bolo de gadolinio a través de la microcirculación vascular provoca un descenso de señal en la imagen, debido a la diferencia de susceptibilidad magnética entre los capilares con gadolinio y
el tejido neuronal circundante. En consecuencia, la imagen funcional resultante informa acerca de los cambios regionales en el volumen de la sangre cerebral (VSC). Un segundo método se fundamenta en la sensibilidad a los cambios en el flujo sanguíneo cerebral regional (FDC) basándose en los cambios fisiológicos en el
estado de oxigenación de la hemoglobina pero con imágenes de
resonancia potenciadas en T1.
Finalmente, el tercer procedimiento, más sensible y con el
que se ha acumulado una mayor experiencia1,4,5, es el método dependiente de los valores de oxígeno en sangre (BOLD). En este
procedimiento los cambios de la señal de resonancia dependen
de las concentraciones de oxígeno en sangre, especialmente de la
cantidad de oxígeno ligado a la hemoglobina (oxihemoglobina)
en sangre en fase venosa4,5,12, y sin precisar para ello de la inyección de un bolo de contraste. Es conocido que, cuando un sujeto
realiza una tarea cognitiva específica, se produce un incremento
del flujo sanguíneo en la región cerebral (FSCr) implicada en la
función cognitiva y, en consecuencia, de la aportación de
oxígeno13. Al parecer, el incremento del FSCr puede llegar a ser
de hasta el 50% como respuesta al incremento de la actividad
neuronal6. Sin embargo, el incremento del consumo de oxígeno
es mucho menor que el aumento del aporte13. Ello conlleva un
contenido excesivo al normal de oxihemoglobina en fase venosa
(capilares venosos, vénulas y venas), y respecto de la desoxihemoglobina, produciéndose un efecto de arterialización de la sangre venosa1,12. Esta variación en la relación entre las concentraciones de oxihemoglobina (componente diamagnético) y desoxihemoglobina (componente paramagnético) en fase venosa
comporta un aumento de la señal de resonancia y, especialmente, en secuencias sensibles a los cambios de susceptibilidad magnética14,15. Es decir, la diferencia de concentraciones relativas de
oxihemoglobina y desoxihemoglobina cuando el tejido neuronal
está en reposo y cuando está activado define el contraste BOLD6
(fig. 1).
(1222)
CIEN la resonancia mag 57
30/3/05
08:58
Página 2
CIENCIA, TECNOLOGÍA Y MEDICINA
La resonancia magnética funcional y sus aplicaciones clínicas
J. Deus i Yela y M. Baquero
Actividad sensitivo-motora
cognitiva o emocional
Activación neuronal
Aumento de la percusión
sanguínea cerebral regional
Cambio en la oxigenación
Imagen funcional
Imagen estadística
fusionada a la anatómica
Oxihemoglobina Desoxihemoglobina
Figura 1 Esquema básico del principio teórico sobre el que se fundamenta el procedimiento de resonancia magnética funcional denominado BOLD (dependiente de los valores de oxígeno en sangre) y
de la posterior obtención de la imagen del estudio funcional mediante un método de análisis estadístico de la imagen. Esta imagen estadística (o imagen t) se obtiene al comparar estadísticamente el valor medio de la señal BOLD de resonancia de las imágenes de reposo con las de activación. Posteriormente, la
imagen t se fusiona a una imagen anatómica lo que permite una
localización óptima de las activaciones funcionales focales detectadas.
VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LA RESONANCIA
MAGNÉTICA FUNCIONAL
La RMF posee una serie de ventajas y limitaciones respecto a otras
técnicas de estudio de neuroimagen funcional1,6,10,16. Entre las ventajas de la RMF se deben citar, en primer lugar, la mayor resolución
espacial (milimétrica) y temporal (por debajo del segundo) que la
PET o la SPECT, aunque con menor resolución temporal que el
EEG y el MEG. Así, actualmente, es la única técnica que ofrece una
combinación de buena resolución temporal y espacial. En segundo
lugar, permite una correlación directa entre los datos funcionales y
anatómicos en una misma imagen. En tercer lugar, es un procedimiento no invasivo al no tener que inyectar un trazador con radiación
ionizante. En cuarto lugar, y como consecuencia de lo anterior, es posible repetir el paradigma en estudio un número indefinido de veces
y sin dificultad técnica. Además, y en quinto lugar, al no utilizar un
trazador radiactivo y sin necesidad de otros aparatos específicos para
el estudio funcional, tiene un menor coste económico. Finalmente, y
en sexto lugar, ofrece varias modalidades de adquisición y puede ser
utilizada en la mayoría de los centros, estando al alcance de un mayor
número de investigadores y clínicos, que disponen de una máquina
de RM con un campo magnético de 1,5 o 3 teslas.
(1223)
Como toda herramienta de estudio de la actividad cerebral, la
RMF tampoco está exenta de limitaciones6,11. Éstas se deben bien
a la misma técnica de la RM bien a limitaciones en lo que respecta
a los sujetos en estudio. En relación con la exploración por RM, en
primer lugar cabe remarcar que la RMF es una técnica que no
proporciona información de la actividad metabólica basal. En segundo lugar, la resolución espacial de la RMF, aunque es mayor
que la de la PET o la SPECT, está limitada porque los vasos que
originan la respuesta de cambios de concentración de sangre oxigenada drenan territorios de un tamaño superior a la resolución
máxima que puede conseguirse con la imagen de RM estructural.
En tercer lugar, la resolución temporal está limitada por la existencia de un retraso del orden de 3-6 s entre el pico de actividad neuronal y la respuesta hemodinámica secundaria a la tarea que realiza el sujeto. Es decir, las latencias de respuesta neuronal y vascular
son distintas. Respecto a las limitaciones que dependen del paciente hay que mencionar, en primera instancia, las mismas que
presenta un estudio normal por resonancia. Así hay que tener en
cuenta que no debe realizarse a pacientes con marcapasos, ni con
determinados implantes metálicos que pueden artefactar la adquisición de la imagen funcional. Tampoco es recomendable realizar
la RMF en pacientes con claustrofobia. En segundo lugar, el paciente tiene que colaborar con la mayor atención consciente en la
ejecución de la tarea en estudio planificada, ser capaz de mantenerse inmóvil durante todo el proceso de adquisición de las imágenes de resonancia para asegurar que la posición de las imágenes es
la misma y, finalmente, permanecer lo más tranquilo posible para
no producir artefactos vasculares que aumenten las variaciones
aleatorias (ruido). Esta segunda limitación obliga necesariamente
al evaluador a que antes de realizarse el estudio funcional se dedique un período, que puede oscilar entre 10 y 15 min, a entrenar y
concienciar al sujeto en la tarea que va a realizarse durante el estudio funcional.
APLICACIONES CLÍNICAS
La RMF es, en el momento actual, una herramienta de investigación cognitiva y neuropsiquiátrica. Así, su aplicación clínica es limitada aunque existen, actualmente, algunas indicaciones clínicas
ampliamente validadas. La más relevante es la identificación funcional de la corteza sensitivomotora primaria en pacientes con lesiones expansivas cerebrales1,17,18. Se identifica de un modo fiable
esta elocuente región del cerebro en la casi totalidad de los pacientes que presentan un proceso expansivo perirrolándico. Esta información puede facilitar al neurocirujano la elaboración de la estrategia quirúrgica17,18. Asimismo, puede utilizarse la RMF para el estudio del sistema cortical motor en patologías neurológicas, como
la distonía focal, que supongan una alteración funcional de ese circuito neuronal19.
Otra aplicación clínica es la identificación del hemisferio dominante para el lenguaje20-23 (fig. 2), especialmente en la neurocirugía de la epilepsia o en el caso de las neoplasias cerebrales, con el
objeto de mejorar las inconveniencias y limitaciones de pruebas invasivas como el test de Wada. Diversos estudios con RMF han demostrado su aplicabilidad a este propósito y, además, con unos resultados que se correlacionan altamente con los obtenidos mediante el test de Wada24,25.
El uso de la RMF para los estudios con patología psiquiátrica se
ha limitado, fundamentalmente, a trabajos de investigación sin que
por el momento se hayan podido establecer aplicaciones clínicas
directas26,27. Los objetivos de estos estudios son, por un lado, encontrar diferencias en la localización de las respuestas cerebrales
JANO 8-14 ABRIL 2005. VOL. LXVIII N.º 1.560
41
CIEN la resonancia mag 57
30/3/05
08:58
Página 3
CIENCIA, TECNOLOGÍA Y MEDICINA
Diestros
La resonancia magnética funcional y sus aplicaciones clínicas
J. Deus i Yela y M. Baquero
Zurdos
Figura 2 Arriba: imagen BOLD de resonancia magnética funcional (RMF)
que muestra la activación selectiva de la corteza sensitivomotora, y su proximidad a la lesión expansiva, mediante una simple tarea de apertura y cierre de la mano. Ello permite mostrar
la relación espacial entre la lesión y la cisura de Rolando que se
ha identificado, lo que posibilita una mejor planificación del
abordaje neuroquirúrgico. Inferior: imagen BOLD de RMF que
muestra la activación selectiva de la corteza prefrontal (áreas
9 y 46 de Brodman), en sujetos voluntarios sanos con dominancia lateral manual diestra o zurda, mediante la tarea de fluencia verbal con consigna fonética. Con este procedimiento se
puede especificar el hemisferio dominante para el lenguaje
(Fuente: Pujol et al21).
entre sujetos normales y pacientes con distintas patologías psiquiátricas27,28 y, por otro, utilizar esta información para mejorar la
orientación terapéutica o pronóstica26,27,29.
Finalmente, se ha sugerido la aplicabilidad de la RMF al estudio de la recuperación funcional en la medida en que permite proporcionar medidas de la actividad cerebral en vivo y, en consecuencia, monitorizar la progresión de la alteración cognitiva y su
recuperación bien sea por la recuperación espontánea bien por los
efectos terapéuticos pautados30. Bibliografía
1. Pujol J, Vendrell P, Deus J, Mataró M, Capdevila A, Martí-Vilalta JL. Estudio
de la actividad cerebral con resonancia magnética funcional. Med Clin (Barc).
1995;104(1):1-5.
2. Belliveau JW, Kennedy DN, McKinstry RC, Buchbinder BR, Weisskoff RM,
Cohen MS, et al. Functional mapping of the human visual cortex by magnetic
resonance imaging. Science. 1991;254(5032):716-9.
3. Blamire AM, Ogawa S, Ugurbil K, Rothman D, McCarthy G, Ellermann JM,
et al. Dynamic mapping of the human visual cortex by high-speed magnetic resonance imaging. Proc Natl Acad Sci USA. 1992;89:11069-73.
42
JANO 8-14 ABRIL 2005. VOL. LXVIII N.º 1.560
4. Ogawa S, Tank DW, Menon R, Ellermann JM, Kim SG, Merkle H, et al. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proc Natl Acad Sci USA.
1992;89:5951-5.
5. Connelly A, Jackson GD, Frackowiak RS, Belliveau JW, Vargha-Khadem F,
Gadian DG. Functional mapping of activated human primary cortex with a clinical MR imaging system. Radiology. 1993;188:125-30.
6. Santa-Marta C, Sánchez J, Desco M. Resonancia magnética funcional. En:
Arango-López C, Crespo-Facorro B, Bernardo-Arroyo M, editores. Neuroimagen en Psiquiatría. Barcelona: Ars Médica; 2003. p. 15-22.
7. Kwong KK, Belliveau JW, Chesler BA, Goldberg IE, Weisskoff RM, Poncelet
BP, et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during
primary sensory stimulation. Proc Natl Acad Sci. 1992;89:5675-9.
8. RMueller WM, Yetkin FZ, Haughton VM. Functional magnetic resonance
imaging of the somatosensory cortex [review]. Neurosurg Clin N Am.
1997;8:373-81.
9. Gili-Planas J, Capdevila A. Resonancia Magnética. Barcelona: Altarriba Art;
1992.
10. Cohen MS. Rapid MRI and functional applications. En: Toga AW, Mazziotta
JC, editors. Brain Mapping: The Methods. New York: Academic Press; 1996.
p. 223-55.
11. Clare S, Humberstone M, Hykin J, Blumhardt LD, Bowtell R, Morris P. Detecting activations in event-related fMRI using analysis of variance. Magn Reson Med. 1999;42:1117-22.
12. Hoge RD, Atkinson J, Gill B, Crelier GR, Marrett S, Pike GB. Investigation of
BOLD signal dependence on cerebral blood flow and oxygen consumption:
the deoxyhemoglobin dilution model. Magn Reson Med. 1999;42:849-63.
13. Fox PT, Raichle ME, Mintun MA, Dence C. Non-oxidative glucose consumption during focal physiologic neural activity. Science. 1988;241(4864):462-4.
14. Ogawa S, Lee TM, Kay AR, Tank DW. Brain magnetic resonance imaging
with contrast dependent on blood oxygenation. Proc Natl Acad Sci USA.
1990;87:9868-72.
15. Menon RS, Ogawa S, Tank DW, Ugurbil K. Tesla gradient recalled echo characteristics of photic stimulation-induced signal changes in the human primary
visual cortex. Magn Reson Med. 1993;30:380-6.
16. Le Bihan D. Functional MRI of the brain. Principle, applications and limitations [review]. J Neuroradiol. 1996;23:1-5.
17. Pujol J, Conesa G, Deus J, Vendrell P, Isamat F, Zannoli G, et al. Presurgical
identification of the primary sensorimotor cortex by functional magnetic resonance imaging. J Neurosurg. 1996;84:7-13.
18. Pujol J, Conesa G, Deus J, López-Obarrio L, Isamat F, Capdevila A. Clinical
application of functional MRI in presurgical identifications of central sulcus. J
Neurosurg. 1998;88:863-9.
19. Pujol J, Roset-Llobet J, Rosinés-Cubells D, Deus J, Naberhaus B, Valls-Solé J,
et al. Brain cortical activation during guitar-induced hand dystonia studied by
functional MRI. Neuroimage. 2000;12:257-67.
20. Pujol J, Vendrell P, Deus J, Kulisevsky J, Martí-Vilalta JL, García C, et al.
Frontal lobe activation during word generation studied by functional MRI. Acta Neurol Scand. 1996;93:403-10.
21. Pujol J, Deus J, Losilla J, Capdevila A. Cerebral lateralization of language in
normal left-handed people studied by functional MRI. Neurology.
1999;52:1038-43.
22. Benson RR, Fitzgerald DB, Le Sueur LL, Kennedy DN, Kwong KK, Buchbinder BR, et al. Language dominance determined by whole brain functional
MRI in patients with brain lesions. Neurology. 1999;52:799-809.
23. Springer JA, Binder JR, Hammeke TA, Swanson SJ, Frost JA, Bellgowan SF,
et al. Language dominance in neurologically normal and epilepsy subjects. A
functional MRI study. Brain. 1999;122(Pt 11):2033-46.
24. Binder JR, Swanson SJ, Hammeke TA, Morris GL, Mueller WM, Fischer M,
et al. Determination of language dominance using functional MRI: a comparison with the Wada test. Neurology. 1996;46:978-84.
25. Desmond JE, Sum JM, Wagner AD, Demb JB, Shear PK, Glover GH, et al.
Functional MRI measurement of language lateralization in Wada-tested patients. Brain. 1995;118:1411-9.
26. Pujol J, Llanos L, Deus J, Cardoner N, Pifarré J, Capdevila A, Vallejo J. Functional MRI study of frontal lobe activation during word generation in obsessive-compulsive disorder. Biol Pyschiatry. 1999;45:891-7.
27. Longworth C, Honey G, Sharma T. Functional magnetic resonance imaging in
neuropsychiatry [review]. BMJ. 1999;319:1551-4.
28. Meisenzahl EM, Schlosser R. Functional magnetic resonance imaging research in psychiatry [review]. Neuroimaging Clin N Am. 2001;11:365-74.
29. Yurgelun-Todd DA, Renshaw PF. Applications of functional MR imaging to
research in psychiatry. Neuroimaging Clin N Am. 1999;9:295-308.
30. Ríos-Lago M, Paúl-Lapedriza N, Muñoz-Céspedes JM, Maestú F, Álvarez-Linera J, Ortiz T. Aplicación de la neuroimagen funcional al estudio de la rehabilitación neuropsicológica. Rev Neurol. 2004;38:366-73.
(1224)