Métodos en Neurociencia Cognitiva: ¿Cómo se investiga lo que se descubre?

Muchas veces ahondamos en el conocimiento sin profundizar en como obtenemos ese propio saber. El avance metodológico marcan siempre un antes y un después ya que nos permite ir más allá y romper los límites establecidos. En esta entrada voy a describir algunos de los métodos más utilizados en la neurociencia cognitiva exponiendo tanto las ventajas que nos aportan como sus marcadas limitaciones.

Empezando por lo básico: Análisis del Comportamiento

No debemos infravalorar lo sencillo, ya que con la simplicidad que aportan las palancas y los botones hemos descubierto multitud de hallazgos, pudiendo aún extraer mucho más conocimiento del que nos pensamos.

Para entender esta metodología, partimos de que la información que nos llega, debe ser procesada e incluso modulada. Por ello algo tan básico como los tiempos de reacción nos dará una información valiosa acerca de los mecanismos internos. Por ejemplo, se utilizan las consolas de Jensen para medir el tiempo que tardamos en generar una respuesta ante cierto estímulo, algo que podrá asociarse con conceptos importantes como la toma de decisiones. A grosso modo, TR más largos se asociarán con más estímulos, mayor complejidad, envejecimiento u otros.

A su mismo modo, se podrán investigar otros aspectos como la búsqueda visual o las verificaciones semánticas que nos darán información acorde a las preguntas que nos planteemos.

Por otro lado, a veces no nos interesa la velocidad sino más bien si las respuestas son las correctas. Por ejemplo, podemos estudiar la memoria de trabajo que hemos explicado en otros artículos mediante trabajos duales con distractores cognitivos donde el objetivo será investigar la propia memoria.

Sin embargo, la información proporcionada a partir de estas metodologías pueden catalogarse como «limitada» sin capacidad de observar como se comporta el cerebro durante la tarea y como imposibilidad de asociar o correlacionar las tareas establecidas con la neuroanatomía. Por otro lado, son tests fáciles de programar y analizar, al igual que eficaces para trazar ciertas inferencias.

El ojo también proporciona información: Eye Tracking

Instintivamente nuestro foco atencional se dirige automáticamente hacia sitios concretos. Por ejemplo, este hecho se sabe muy bien en mundo del marketing y se estudia en profundidad para optimizar la atención de los consumidores. Pero… ¿Cómo? Tecnologías como el eye tracking permiten medir el movimiento de los ojos, el tiempo de observación o la dilatación de las pupilas.

Una técnica no invasiva que suele utilizar rayos infrarojos y grabaciones de los reflejos de la córnea conjunto el software informático correspondiente. A diferencia de los análisis conductuales, depende menos de la voluntad del paciente y son más objetivos.

Grabación de la Actividad Cerebral: Electroencefalografía (EEG), Potenciales Evocados (ERP) y Resonancia Magnética Funcional (fMRI)

La Electroencefalografía (EEG) es una técnica bastante utilizada que genera una medida continua de la actividad cortical. Como es constante, cuenta con una buena resolución temporal y genera una señal notable. Por otro lado, los potenciales evocados (ERP) son una técnica propia del EEG donde obtenemos una señal después de mostrar un estímulo determinado.

Para entender el funcionamiento de estas técnicas, hemos de comprender que en el encéfalo encontramos neuronas piramidales que forman conjuntos entre ellas formando un dipol magnético que genera un corriente eléctrico que podrá ser captado con la colocación de electrodos. En cierto modo la información será limitada ya que solo se podrá adquirir información de esos clusters capaces de generar esa electricidad.

Como la señal proporcionada por el EEG es continua, tendremos mucho ruido, es decir información no relevante que puede contaminar la calidad de los datos que recibimos. Por ello es importante tomar varias medidas y promediar la información para filtrar nuestros datos.

Ciertos componentes siempre ocurren y será importante detectarlos:

  • Mismatch Negativity: Cuando se presenta un estímulo y este muestra una variación, causa una incongruencia que el cerebro detecta.
  • Error Related Negativity: Cuando te equivocas en cierta tarea se produce una onda automática.
  • Syntatic Positive Shift (SPS):

Por otro lado, como hemos dicho, los potenciales evocados son respuestas provocadas frente a un estímulo conocido y normalizado. Estudiando de esta manera cómo responde el sistema nervioso a estímulos exteriores. A partir de estos potenciales se intentan generar mapas probabilísticos que suelen combinarse con técnicas de alta resolución espacial.

La Resonancia Magnética Funcional (fMRI) nos dotará de esta información de buena resolución espacial. Una técnica que se basa en la generación de un campo magnético (mediante varias bobinas) que alineará los átomos de hidrogeno de nuestro organismo. Una vez alineados, como conoceremos la frecuencia en la que giran al estar expuestos a un campo magnético conocido, podremos generar pulsos electromagnéticos (a la misma frecuencia) que excitarán los átomos de hidrogeno para después relajarse devolviendo la energía absorbida previamente. Durante esta fase de relajación, seremos capaces de identificar los diferentes tejidos de nuestro organismo.

Blood oxygen level-dependent response (BOLD) – Respuesta dependiente del nivel de oxígeno en sangre

Aunque no es fácil de comprender de primeras, hemos de entender que la fMRI se basa en su sensibilidad a los cambios de deoxyhemoglobina de nuestro organismo, ya que tienen ciertas propiedades que generarán alteraciones en el campo magnético.

Por tanto, se trata de una técnica indirecta donde solamente podremos medir los procesos que requieran consumo de oxígeno. Todos aquellos que sean glucodependientes o subyacen tras otros mecanismos no podrán medirse a través de ello.

Además, al utilizar esta técnica obviaremos ciertas premisas y avances en cuanto a nuestro cerebro ya que habremos de aceptarlo como un órgano modular y universal de cara a una correcta estandarización. En cierto modo nos olvidaremos de que todos los cerebros son de distinto tamaño, difieren en forma y hallamos estructuras más o menos grandes.

Esto es imprescindible de cara a estandarizar los métodos y se utilizarán ciertos templates (plantillas) como punto de partida de cara a «universalizar» el tamaño y la forma del cerebro, asumiendo que ciertas zonas son iguales para todos los sujetos. Un hecho que claramente es una limitación de la técnica, algo que intentará ser compensado con la masificación de datos que puede proporcionar.

Proceso resumido: Corrección del Movimiento > Normalización Espacial acorde a una Plantilla estandarizada > Smoothing Process > Generación de un Modelo Lineal > Estimación Paramétrica > Generación de un Mapa Cortical Estadístico Paramétrico

La mayor ventaja de la fMRI es la alta resolución espacial. Sin embargo, solo detecta su activación en un momento en concreto, es decir, que posee una limitada resolución temporal además de lo anteriormente mencionado: solo detectamos tejidos sensibles a deoxyhemoglobina y debemos primar la estandarización sobre la individualización.

Estructura Cerebral: VBM, SBM, DTI y Tractografía/Conectoma

Morfología de la Materia Gris

Aprovechando la tecnología de la Resonancia Magnética, podemos estudiar la estructura cerebral mediante la Morfología Basada en Vóxel (VBM) permitiendo la investigación de la anatomía del cerebro mediante una aproximación estadística paramétrica que dividirá el cerebro en vóxels que no píxels. La VBM mide la concentración de sustancia gris y blanca en cada voxel, pequeñas regiones de milímetros cúbicos. De hecho, gracias a esta técnica se obtuvieron estudios relativamente famosos como el de los Taxistas en Londres donde se observaban diferencias significativas en el tamaño del hipocampo.

Desde la Resonancia Magnética surgen otras modalidades como la Morfometría «surface-based» (SBM) que nos permitirá analizar la superficie que representa los bordes de nuestros cerebro. En realidad esta metodología es un grupo de técnicas morfométricas que nos proporcionarán un constructo para investigar el área superficial (número de minicolumnas extendidas en la superficie) y estimar el grosor cortical (cantidad de neuronas, glia, etc..).

Estructura de la Materia Blanca

Para estimar la materia blanca, se suele utilizar lo que conocemos como Tensor de Difusión (DTI). Para comprender esta técnica, hemos de saber que las moléculas de agua siguen cierto movimiento aleatorio, sin embargo esta tendencia se encontrará restringida por la propia morfología de las neuronas y el agua se moverá en paralelo a los axones. De manera indirecta, el DTI nos permitirá saber «cuánto de restringidas» se encuentran estas moléculas en cada voxel para inferir la materia blanca.

A este transporte se le denomina difusión y podrá ser descrito gracias a este tensor de difusión. A grosso modo, estas difusiones pueden siguen un gradiente donde pueden ser más isotrópicas (poca restricción, movimiento que no sigue ninguna dirección en concreto) o anisotrópicas (alta restricción de las moléculas).

Por ejemplo, áreas corticales con mayor mielina, el agua se encontrará más restringida tendiendo hacia una anisotropía con una forma más elpisoide y más cerca del 1 en el propio cálculo.

Finalmente, a partir de de este DTI se puede realizar una reconstrucción tractográfica de las conexiones neuronales para estimar y producir un conectoma, es decir, una modelización en 3D que nos da una aproximación de un mapa que representa todas estas conexiones.

Estudios de causalidad: Estimulación Transcraneal

La estimulación magnética transcraneal es cada vez más conocida por empezarse a utilizar con frecuencia en el ámbito clínico. Esta técnica es una forma no invasiva de estimular ciertas regiones de nuestro encéfalo de cara a tratar o investigar el abordaje de diversos trastornos. También permite trazar inferencias de forma algo más causal en cuanto a la actividad del propio cerebro humano. Su aplicación se basa en colocar un transductor perpendicular al surco del área a estimular, induciendo un campo magnético eléctrico secundario que activa la corteza de manera focalizada.

Resumen

En esta entrada se han descrito las principales técnicas que podemos encontrarnos en la neurociencia cognitiva: desde las más básicas a las más complejas basadas en últimas tecnologías. Dentro de estas primeras, encontramos métodos clásicos de estudio del comportamiento basado en tiempos de reacción, búsquedas visuales, verificaciones semánticas o tests basados en los aciertos y errores totales como ocurre en el trabajo dual. El eye tracking por su parte, es capaz de medir el trayecto que traza nuestra mirada conjunto otras variables como la dilatación de las pupilas o el tiempo de mirada.

Para medir la actividad cortical, es bastante común encontrarse el EEG y el fMRI que se complementan el uno al otro respectivamente por la resolución temporal y espacial de cada uno. En cambio, para estudiar la morfología de la materia gris, se utilizan otros métodos provenientes de la resonancia magnética como el VBM (Voxel Based Morphometry) o el SBM (Surface Based Morphometry). De cara a la estructura de la materia blanca, lo más común es el Tensor de Difusión (TDI) y la Tractografía de cara a estimar un conectoma.

Por último, la estimulación transcraneal nos permite enfoques algo más «causales» por la capacidad no solamente de observar correlaciones sino también de intervenir experimentalmente de forma no invasiva.

Un abrazo,

Javier Picañol

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