Este blog ha nacido con la intención de divulgar el estudio del sistema nervioso mediante las técnicas de imagen biomédica más modernas. Estas herramientas nos ayudan a comprender cómo es la estructura y el funcionamiento del cerebro. Por lo que, gracias a ellas, podemos diagnosticar enfermedades neurológicas, entender las adicciones, saber cómo se forman las emociones y, en definitiva, entendernos a nosotros mismos, pero...

¿Cómo hemos llegado hasta aquí?

<p style="text-align: left;">Papiro de Edwin Smith en escritura hierática, un estilo derivado de la simplificación de los jeroglíficos o, dicho de otra forma, la manera que tenían de tomar apuntes. Extraída de van Middendorp JJ et al. (2010).

El primer registro escrito de la descripción anatómica de un cerebro se remonta al antiguo Egipto. Este documento fue escrito entorno al año 1600 a.C. y se le conoce como el papiro de Edwin Smith (1822-1906), por el granjero, anticuario y egiptólogo norteamericano que lo descubrió. Sin embargo, el contenido de este manuscrito se cree que es una copia de un tratado redactado entre los años 3000 – 2500 a.C. El documento contiene 48 casos clínicos de traumatología bien estructurados y está aparentemente dedicado a las lesiones ocasionadas en alguna construcción civil. En el caso número 6, como resultado de un traumatismo craneal abierto, podemos leer la primera descripción conocida de la historia del cerebro:

"Al examinar la herida se puede tocar la víscera del cráneo (el cerebro), palpándose unas ondulaciones parecidas a las escorias del cobre fundido. A veces el cerebro late bajo los dedos de la misma forma que las fontanelas de los niños pequeños"

Los siguientes avances los encontramos en la escuela de medicina griega fundada en la ciudad de Alejandría durante el siglo III antes de cristo. Allí, Herófilo (325 – 280 a.C.) y Erasístrato de Cos (304 – 250 a.C.) fueron los primeros médicos griegos en realizar disecciones sistemáticas de cadáveres humanos. Ambos realizaron importantes aportaciones. Por ejemplo, Herófilo destaco por sus trabajos de anatomía cerebral y centró su atención en el cuarto ventrículo pues lo consideraba el asiento del alma; mientras, Erasístrato se percató de la importancia de las circunvoluciones en el intelecto e identificó correctamente los principales centros de control cerebrales. Sin embargo, después de la muerte de estos dos médicos griegos, la disección humana fue cayendo en el olvido. Para cerrar esta etapa, cabe señalar el importante papel que tuvo Galeno de Pérgamo (129-199 d.C.), formado en la escuela de Alejandría, quien hubo de realizar sus estudios de anatomía a partir de disecciones de animales debido a la legislación romana.

Para desgracia del saber humano, tras la expansión del cristianismo durante la edad media, la disección se consideró una blasfemia y su práctica quedó prohibida a lo largo de 1700 años, aproximadamente. Durante este tiempo, los médicos solo podían repetir los trabajos de las eminencias de la antigüedad como lo era Galeno de Pérgamo.

<p style="text-align: left;">Imágenes del libro VII de la obra <em>De Humani Corporis Fabrica</em> (1543). A, lamina 3 y B, lamina 4. Extraído de Scatliff JH, Johnston S. (2014).

<p style="text-align: left;">Leonardo da Vinci dibujó los ventrículos cerebrales después de extraer modelos tridimensionales de cera inyectada en el cerebro (1504-1507). Extraído de https://www.rct.uk/ (2020). 

En el renacimiento italiano (1450-1600), los estudios anatómicos y fisiológicos sistemáticos del cerebro se retomaron gracias a que se pudo volver a diseccionar cadáveres humanos. En este periodo, la ciencia y el arte se beneficiaron mutuamente para tratar de desvelar los misterios del cuerpo y la mente humana. Por ello, no era extraño que muchos artistas asistieran a las disecciones para dibujar las partes del cuerpo seccionadas. En 1543, el gran anatomista Andrés Vesalio (1514-1564) publicaba su obra magna De Humani Corporis Fabrica que se consideró una proeza artística y científica. Varios de los discípulos del pintor renacentista Tiziano (1477/1490 -1576) probablemente trabajaron en la parte artística de los libros. Vesalio contribuyó enormemente al estudio de la neuroanatomía al reexaminar la estructura y función del cerebro. Además del estudio del sistema nervioso a través de la disección y el dibujo, cabe destacar el uso de modelos tridimensionales realizados con cera. El pionero en este tipo de técnicas fue Leonardo da Vinci (1452-1519) al estudiar los ventrículos cerebrales a través de figuras obtenidas por la inyección de cera en el cerebro.

<p style="text-align: left;">Imagen perteneciente al primer atlas neuroanatómico fotográfico, <em>Iconographie Photographique des Centres Nerveux</em>, publicado en 1873. Todas las fotografías (izquierda) del atlas se acompañaban con una litografía (derecha) en la página contigua. Extraído de https://archive.org/ (2020).

<p style="text-align: left;">Dibujo de Santiago Ramón y Cajal (1899) de diferentes tipos de neuronas del cerebelo de una paloma. Extraído de https://www.wikipedia.org/ (2020).

Con la difusión del primer procedimiento fotográfico, el daguerrotipo, en 1839 por Louis Daguerre (1787 – 1851), la fotografía empezó a revolucionar el mundo. El uso de esta nueva herramienta prometía a los científicos una representación más objetiva que los dibujos y los grabados. Y así, en 1873, el francés Jules Bernard Luys (1828 – 1897) publicó el primer atlas neuroanatómico fotográfico: Iconographie Photographique des Centres Nerveux. Sin embargo, la fotografía, pese a la importancia que supuso en varios campos de la ciencia, no fue muy utilizada para el estudio del cerebro durante las décadas posteriores a la publicación del primer atlas. Por ejemplo, Santiago Ramon y Cajal (1852 – 1934), pese a ser un aficionado apasionado de la fotografía, prefirió el uso de dibujos al de microfotografías para el estudio del sistema nervioso a través del microscopio.

<p style="text-align: left;">Un ejemplo del aspecto de una placa radiográfica obtenida en 1919 utilizando el procedimiento de la neumoencefalografía. Extraído de https://www.wikipedia.org/ (2020).

En diciembre de 1895, Wilhelm Roentgen (1845 – 1923) publicó el descubrimiento de los rayos X. La comunidad científica rápidamente se dio cuenta del gran potencial que tenía esta nueva tecnología en la exploración del cuerpo humano. Aunque su impacto fue muy grande en medicina, en neurología fue relativamente pequeño. Esto se debió a que, con la tecnología de entonces, los rayos X no permitían visualizar el cerebro. Fue entonces, en 1918, cuando Walter Dandy (1886 – 1946), neurocirujano del hospital John Hopkins, desarrollo la técnica de la ventriculografía. En este procedimiento se introducía aire en los ventrículos laterales del cerebro para mejorar el contraste del sistema ventricular. Posteriormente, en 1919, el mismo neurocirujano introdujo aire a través de una punción lumbar desarrollando una variante de la primera técnica conocida como neumoencefalografía. Sin embargo, el riesgo y la incomodidad de estas técnicas limitaron su uso.

<p style="text-align: left;">Esta imagen es una de las primeras angiografías cerebrales tomadas con éxito por Egas Moniz. La imagen fue obtenida de un hombre joven de unos 20 años que tenía un tumor en la glándula pituitaria y el síndrome de Babinski-Froelich. Extraída de Artico M et al. (2017).

El siguiente hito en el campo de la neuroimagen lo encontramos en el desarrollo de la angiografía cerebral por el neurólogo portugués Egas Moniz (1874 – 1955) en 1927. La idea de esta técnica consistía en utilizar la posición de la vasculatura cerebral, en vez de los ventrículos, para resaltar anormalidades en la estructura del cerebro. Para este procedimiento, se realiza la inyección intravenosa de un compuesto opaco a los rayos X. Sin embargo, como las dos técnicas descritas anteriormente, el riesgo al que eran sometidos los pacientes limitó el uso de esta técnica.

Además de la anatomía, otra forma de estudiar el cerebro es a través de la obtención de imágenes (o registros) de sus funciones como la actividad eléctrica o metabólica. En el caso de la actividad eléctrica, su estudio en el sistema nervioso de animales durante el último cuarto del siglo XIX abrió las puertas al desarrollo de la electroencefalografía. Con esta técnica, podemos mapear la actividad eléctrica en la corteza cerebral tanto en reposo como en respuesta a un estímulo. El primer estudio en humanos se publicó en 1929 por el neuropsiquiatra Hans Berger (1873 – 1941). En la actualidad, esta técnica se utiliza para el diagnóstico de múltiples enfermedades neurológicas o el estudio del sueño.

<p style="text-align: left;">Imagen CT del cerebro de un hombre de 65 años con la glándula pineal calcificada (zona blanca indicada por una flecha). Esta calcificación, al disminuir la secreción de melatonina, es el motivo por el cual se alteran los ciclos del sueño en la vejez. Extraído y modificado de Lisa C. Adams et al. (2017).

En 1971, el ingeniero Godfrey Houndsfield (1919 – 2004) junto con el radiólogo Jamie Ambrose (1923-2006) generaron por primera vez una imagen del cerebro a través de la tomografía computarizada (CT por sus siglas en inglés). La imagen pertenecía a un paciente que tenía un tumor cerebral, el cual pudo extirparse gracias a la información facilitada por esta técnica. Este hito abrió las puertas de la neurocirugía y neuroimagen modernas. La CT es una técnica que se basa en el uso de los rayos X para obtener una imagen tridimensional, en este caso, del cerebro. En el desarrollo de esta tecnología, Houndsfield se impuso a otros científicos de su tiempo, como William H. Oldendorf (1925-1992) o Allan Cormack (1924-1998), porque pudo trabajar en secreto con fondos ilimitados gracias a la discográfica EMI. Por esto, como curiosidad, se podría afirmar que fueron las ventas de los discos de The Beatles a finales de los años 60 quienes impulsaron la CT.

El siguiente avance tecnológico es la imagen por resonancia magnética (MRI por sus siglas en ingles). Esta técnica se basa en la física del movimiento de los átomos dentro de un campo magnético. La historia de esta modalidad de neuroimagen se puede contar en tres etapas. En la primera, los científicos descubrieron los fundamentos físicos y las propiedades biológicas de la resonancia magnética nuclear. Los trabajos de Isidor Rabi (1898-1988), Felix Bloch (1905-1983), Edward Purcell (1912-1997) y Erwin Hahn (1921-2016) fueron claves durante este periodo. En la segunda etapa, aparecieron los primeros diseños de aparatos para obtener imágenes por MRI. A partir de los años 70, empezaron a desarrollarse los prototipos de los escáneres de imagen por resonancia magnética por Raymond Damadian (1936- actualidad), Paul Lauterbur (1929-2007) y Peter Mansfield (1933-2017). Los aparatos de MRI comerciales dirigidos a obtener imágenes médicas, por fin, hicieron su aparición en la década de los años 80. Finalmente, en la última etapa, los investigadores desarrollaron métodos para obtener diferentes tipos de imágenes neurológicas como, por ejemplo, la tractografía, imagen de la materia blanca o tractos del cerebro, o la MRI funcional (fMRI por sus siglas en ingles), una variante que permite generar imágenes de las áreas cerebrales activas a través del flujo sanguíneo en el cerebro.

Video de un cerebro obtenido mediante imagen por resonancia magnética que a fecha de hoy podría considerarse como unas de las imágenes a mayor resolución que existen (100 micrometros). Las imágenes se adquirieron del cerebro donado, ex vivo, de una mujer de 58 años que no tuvo o falleció a causa de enfermedades neurológicas. Extraído de https://www.youtube.com/ (2020).

<p style="text-align: left;" align="center">En la imagen PET se visualiza el metabolismo de la glucosa en el cerebro a través de una molécula similar a esta que contiene un átomo de flúor radiactivo. Las áreas de color rojo representan las que más glucosa están captando mientras que las azules las que menos. Extraído de https://www.wikipedia.org/ (2020).

Tras importantes avances en el campo de la detección de átomos radiactivos con fines médicos, Michael Phelps (1939 – actualidad) y Edward Hoffman (1942 – 2004) desarrollaron el primer escáner de tomografía por emisión de positrones (PET por sus siglas en inglés) en 1975. Esta técnica es capaz de estudiar el metabolismo cerebral a través de la inyección de moléculas que contienen una clase especial de átomo radiactivo. En 1976, apenas el primer PET hacia su aparición, varios científicos consiguieron sintetizar una molecular similar a la glucosa que contenía un átomo de flúor radiactivo, 18F-FDG. Este compuesto es de especial relevancia ya que se ha convertido en uno de los más utilizados en el estudio del metabolismo energético del cerebro. En la actualidad, la PET se utiliza para mejorar el diagnostico, el seguimiento y el tratamiento de enfermedades neurológicas, demencias y epilepsias.

Con la llegada del siglo XXI, la tecnología PET se combinó con otras modalidades de imagen, en este caso estructurales, como son la CT (2001) y la MRI (2010). Además, estas tecnologías también se han ido adaptando a las necesidades de los investigadores biomédicos, y por ello se han desarrollado aparatos similares para estudiar las enfermedades en modelos animales como los ratones.

<p style="text-align: left;">Imágenes del cerebro captadas a través de diferentes técnicas (PET, CT y MRI en sus modalidades T1 y T2) y, posteriormente, fusionadas en una sola imagen (PET+CT, PET+T1). La flecha indica un pequeño defecto metabólico por un infarto lacunar en el lado derecho del tálamo, este es visible en PET y MRI pero no en CT. Extraído de Nicolai Stefan Kaltoft et al. (2019).

Nos separan unos 5 milenios desde que suponemos se escribieron las primeras descripciones neuroanatómicas hasta el día de hoy, donde, podemos ver el interior de nuestro cerebro sin necesidad de abrirnos la cabeza o ser diseccionados. Muy alejados de otras épocas más oscuras, en los últimos 2 siglos, el desarrollo de la tecnología para estudiar tanto la anatomía como la función de nuestro cerebro ha sido trepidante...

¿Qué nuevos misterios serán revelados gracias a estas técnicas?

Bibliografía:

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Ángel García de Lucas
Ángel García de Lucas

Investigador Marie Skłodowska-Curie en el laboratorio de imagen molecular preclínica del sistema nervioso central del Centro Turku PET en la Universidad de Turku. Como neurocientífico ha trabajado en el campo de la neurobiología del dolor en la Universidad de Alcalá y como investigador de imagen biomédica ha realizado su tesis doctoral en el campo de la oncología en el Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).

 
Sobre este blog

Explorando el sistema nervioso a través de las imágenes.