Neuroimagen: Resonancia Magnética Funcional PDF

Neuroimagen: Resonancia Magnética Funcional Asdrúbal Huerta Gallango MD / MSc 2024  Temario Repasando el tema de las inferencias reversas: cuándo pueden tener valor y cuándo no Hitos históricos importantes en el mapeo cortical de funciones cerebrales H...

Neuroimagen: Resonancia Magnética Funcional Asdrúbal Huerta Gallango MD / MSc 2024  Temario Repasando el tema de las inferencias reversas: cuándo pueden tener valor y cuándo no Hitos históricos importantes en el mapeo cortical de funciones cerebrales Hemoglobina y deoxihemoglobina: estructura molecular Acoplamiento Neurovascular Respuesta vascular y fenómeno BOLD en resonancia magnética nuclear Diseños experimentales de administración de paradigmas Equipos y setting de resonancia magnética nuclear  Temario Fase de preprocesamiento Software de análisis y procesamiento estadístico Artefactos y fuentes de error en resonancia magnética funcional Aplicaciones clínicas  Repasando el tema de las inferencias reversas: cuándo pueden tener valor y cuándo no Inferencias falsas y reversas James Fallon y la inferencia reversa su libro y Ted Talk “the psychopath inside” Ejemplo counterstrike y amígdala La evidencia experimental relaciona de manera estable la amígdala con la respuesta de miedo. En un teórico experimento encontramos que al jugar Counterstrike se activa la amígdala ¿Asumir que counterstrike produce miedo? José Delgado y el núcleo caudado como centro de la agresión: interpretaciones engañosas Incluso manipulando el cerebro podemos llegar a conclusiones engañosas Ejemplo investigador y su esposa Supongamos que un investigador está estudiando la relación entre el miedo y la frecuencia cardiaca. Como parte de su investigación le pide a su esposa que se coloque un sensor de frecuencia cardíaca para evaluar su respuesta de miedo. Al llegar a su casa tienen sexo y el sensor registra un incremento de frecuencia cardíaca la conclusión errónea es que hacer el amor produce miedo Neuroimagen variantes genética y esquizofrenia Espiritualidad y fMRI Otros ejemplos de falacias lógicas en neurociencias (ejemplos ficticios) Otros ejemplos de falacias lógicas en neurociencias (ejemplos ficticios) la cooperación proviene de la rabia Recordemos ¿Es la inferencia reversa un problema que hace falaz las conclusiones? Casi siempre sí ¿Hay excepciones? Pocas pero sí las hay  La inferencia reversa puede tener algo de sentido como recurso de razonamiento inductivo si una gran cantidad de evidencia anterior lo soporta Caso del gyrus fusiforme y el reconocimiento de rostros Aún así puede haber excepciones por lo tanto no es una evidencia definitiva pero se puede sostener si la evidencia anterior es estable ( problema del procesador dedicado y doble disociación) ¿Dónde más usamos un razonamiento inductivo?. Condicionamiento clásico y operante. Electrical Stimulation of the Left and Right Human Fusiform Gyrus Causes Different Effects in Conscious Face Perception Vinitha Rangarajan, Dora Hermes, Brett L. Foster, Kevin S. Weiner, Corentin Jacques, Kalanit Grill- Spector and Josef Parvizi Journal of Neuroscience 17 September 2014, 34 (38) 12828- 12836; https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0 527-14.2014 Para que una inferencia reversa sea útil Estrategia 1: Aprovechar las neurociencias: Conocimiento firme previo sobre procesos psicológicos que sí activan unas áreas y otras no (disociación) Asumir que la activación neuronal implica un proceso psicológico Estrategia 2: Aplicar inferencia reversa cuantitativa: Evaluar la activación de una región (u otra medida cerebral) a través de un conjunto de tareas candidatas Cuantificar su sensibilidad, especificidad y valores predictivos negativos y positivos Requiere evaluar muchas tareas, contextos y estudios poblacionales Estrategia 1: Aprovechar las neurociencias: Conocimiento firme previo sobre procesos psicológicos que sí activan unas áreas y otras no (disociación) Asumir que la activación neuronal implica un proceso psicológico Estrategia 2: Aplicar inferencia reversa cuantitativa: Evaluar la activación de una región (u otra medida cerebral) a través de un conjunto de tareas candidatas Cuantificar su sensibilidad, especificidad y valores predictivos negativos y positivos Requiere evaluar muchas tareas, contextos y estudios poblacionales  Hitos históricos importantes en el mapeo cortical de funciones cerebrales  Hemoglobina y deoxihemoglobina: estructura molecular Hemoglobina Metaloproteína 4 subunidades, dos alfa y dos beta Si se observa una de las subunidades, hay una proteína globina impermeable que rodea a un grupo hemo Este grupo hemo no proteínico Este grupo hemo está unido a la globina a través de una cadena pentagonal de histidina (aminoácido) La forma férrica del hierro en la molécula de hemo tiene seis sitios Cinco ocupados por las cuatro uniones del anillo de pirrol y el quinto por el anclaje de histidina que fija el hierro a la cadena de globina. El sexto sitio libre transporta oxígeno a todas las células de nuestro cuerpo. Grupo HEM Hemoglobina oxigenada: diamagnética, no distorsiona el campo magnético alrededor, no hay pérdida de señal BOLD Hemoglobina desoxigenada: paramagnética, distorsiona el campo magnético alrededor, hay pérdida de señal BOLD  Acoplamiento Neurovascular Función de respuesta hemodinámica Esquema más importante Porcentaje de vasodilatación Diámetro vascular en arteriolas en función del tiempo e intensidad del estímulo  Respuesta vascular y fenómeno BOLD en resonancia magnética nuclear fMRI Recordando el fenómeno de Resonancia magnética: ¿qué le pasaría a la deoxihemoglobina? Recordando el fenómeno de Resonancia magnética: ¿qué le pasaría a la deoxihemoglobina? Diamagnéticas. Sustancias que son repelidas por las líneas de flujo de un campo magnético externo. Paramagnéticas. Sustancias que son atraídas por las líneas de flujo un campo magnético externo. La oxihemoglobina (diamagnético) tiene sus electrones apareados, no produce efecto magnético, no influencia o influencia poco la señal de RM Las moléculas paramagnéticas como la deoxihemoglobina tienen electrones desapareados, causan inhomogeneidad de campo y artefactos de susceptibilidad, en consecuencia, normalmente disminuyen las señales de RM Oxihemoglobina es diamagnética Deoxihemoglobina es paramagnética Electrones desapareados, paramagnética, produce inhomegeneidades, disminuye la señal Deoxihemoglobina Susceptibilidad magnética de la deoxihemoglobina La fMRI no mide la activación neuronal de manera directa sino las consecuencias de los procesos metabólicos asociados a dicha activación. Blood Oxygen Level Dependant (BOLD) Publicado en PNAS en 1990 por Ogawa et.al. La señal de RMN en las cercanías de los vasos sanguíneos y en el tejido perfundido decrece con la disminución de la oxigenación de la sangre Mientras más desoxigenada está la hemoglobina, más corto el T2 Hay una pérdida de fase por las interacciones spin – spin e inhomogeneidades locales T1 no se afecta por los niveles de oxigenación de la sangre Activación: drop de oxihemoglobina Activación: drop de oxihemoglobina Astrocitos liberan vasodilatadores  Vasodilatación e incremento de sobrecompensación de la oxihemoglobina en las vénulas Más sangre oxigenada de las que necesita el metabolismo de la neurona Oxi es diamágnética incrementa la señal local T=0s, un estado estable en el cual hay una cantidad específica con poca fluctuación de hemoglobina oxigenada y desoxigenada T=1s, se produce un incremento de la deoxihemoglobina debido a las demandas de oxígeno provenientes de la actividad neuronal T=6s, se produce un incremento de la perfusión provisión y de oxihemoglobina que “barre” la deoxihemoglobina (efecto de sobrecompensación) Respuesta BOLD Respuesta BOLD Resumen Resolución temporal Resolución espacial: Dado que la señal es la del drenaje venoso, la localización de la señal real puede estar alejada unos milímetros de la señal detectada Un voxel de fMRI tiene 3x3x3 mm La resolución temporal más utilizada es de 2 segundos Si vamos más lentos aumentamos la resolución espacial pero sacrificando resolución temporal Si vamos más rápido aumentamos la resolución temporal pero sacrificando resolución espacial Ojo resolución temporal no es lo mismo que el tiempo de la ventana de respuesta hemodinámica que va de 4 a 8 segundos aproximadamente y no es igual para todas las áreas del cerebro.  10 a la 6 potencia, alrededor de 1 millon de neuronas por voxel. En cuanto al tiempo, mientras más muestras se tomen mayor el poder estadístico del modelo, pero un sujeto suele tolerar no más de 20 a 30 minutos dentro del magneto Volúmenes de imagen ecoplanar (EPI) La EPI es una técnica de imagen de RM rápida que utiliza ecos de gradiente para adquirir múltiples ecos de diferentes pasos de fase. Los volúmenes EPI pueden ser 2D o 3D, aunque EPI se utiliza principalmente como secuencia 2D. La EPI 3D también se conoce como imagen de eco volumen (EVI). La EPI tiene muchos usos clínicos, como la obtención de imágenes cardíacas, abdominales y de difusión. Ofrece varias ventajas, como la reducción del tiempo de obtención de imágenes, la disminución de los artefactos de movimiento y la capacidad de obtener imágenes de procesos fisiológicos rápidos en el cuerpo humano.  Diseños experimentales de administración de paradigmas Paradigma En las ciencias del comportamiento (p. ej., psicología, biología, neurociencias), un paradigma experimental es un montaje experimental o una forma de llevar a cabo un determinado tipo de experimento (un protocolo) que se define por ciertas normas precisas y que tiene un trasfondo teórico Un paradigma en este sentido técnico, sin embargo, no es una forma de pensar como lo es en el sentido epistemológico (paradigma, Kuhn) Son manipulaciones concretas que se asumen representan mecanismos abstractos (aprendizaje, extinción, atención, memoria, estrés) Es distinto del diseño Diseño experimental (no es un paradigma) Diseño experimental por sustracción Paradigma de lenguaje comprensivo Diseño experimental por sustracción Paradigma de lenguaje comprensivo El diseño más popular es el de bloques por el poder estadístico del número de muestras pero tiene el problema de la predictibilidad, por eso el diseño relacionado a evento es mejor para eliminar ese factor, también se pueden combinar modificando los intertrials (periodos interensayos) Ejemplo de señal bold en un voxel en tarea motora de apretar la mano por 2 S Fluctuación de la señal BOLD en un voxel en el tiempo BOLD fMRI vinculado a tarea de abrir y cerrar los ojos Estructural versus funcional Protocolo fMRI común Protocolo fMRI común  Equipos y setting de resonancia magnética nuclear  Fase de preprocesamiento Smoothing es un tipo de filtro de datos antes del análisis  Software de, diseño experimental, análisis y procesamiento estadístico En el análisis estadístico es importante el valor p, si 0.01, 0.05, 0.1. Esto significa que un análisis fMRI es un conjunto de 100s o posiblemente 1000s de pruebas estadísticas en cada píxel. En el caso de los datos de imágenes, el valor p representa la probabilidad de encontrar un píxel, o grupo de píxeles, cuya actividad esté más fuertemente relacionada con su modelo que el píxel observado actual. El análisis estándar de los datos de RMf se basa en un modelo lineal general (MLG) para separar las señales inducidas por el estímulo del ruido. Este enfoque se basa en una serie de suposiciones sobre los datos que deben cumplirse para que las inferencias sean válidas.  Artefactos y fuentes de error en resonancia magnética funcional Common artifacts example in fMRI data. A): k-space artifact. B) Ghosting in a phantom. C) Susceptibility artifact. D) Normalization artifact (Lindquist and Wager, 2014). Ghosting Ghosting Es un tipo de ruido estructurado que aparece como versiones repetidas del objeto principal (o partes de él) en la imagen. Se producen debido a la inestabilidad de la señal entre las repeticiones del ciclo de impulsos. Los fantasmas suelen ser borrosos, difuminados y desplazados, y se observan con mayor frecuencia a lo largo de la dirección de codificación de fase. Uno de los más famosos es el denominado fantasma de Nyquist N/2. Se produce con secuencias de imágenes ecoplanares que tienen una trayectoria en zig-zag a través del espacio k. En la RM craneal, a veces se denomina "artefacto de los tres cerebros". Los fantasmas suelen aparecer debido al movimiento físico durante la obtención de imágenes (incluida la vibración del maniquí, el movimiento del paciente, el flujo sanguíneo y los efectos respiratorios y cardíacos). A efectos de control de calidad, buscamos causas de imágenes fantasma relacionadas con la máquina, que pueden deberse a corrientes parásitas o a una amplia gama de otros problemas en los subsistemas de transmisión, recepción o gradiente. El control de calidad (CC) en RM es un proceso obligatorio que garantiza la mejor calidad de imagen y detecta fallos de funcionamiento El Colegio Americano de Radiología (ACR) recomienda utilizar una métrica denominada "Porcentaje de señal fantasma" como parte del CC rutinario. Ghosting Las secuencias de pulsos EPI se componen de un tren de ecos, un eco generado por cada línea del espacio k atravesado. En la adquisición en zig-zag, cada segundo eco se adquiere en una dirección alternativa. Para la reconstrucción de la imagen, los ecos pares deben invertirse en el tiempo para que coincidan con los ecos impares antes de la transformada de Fourier. El espacio k es un concepto abstracto y se refiere a una matriz de datos que contiene los datos brutos de la IRM. Estos datos se someten a una función o fórmula matemática denominada transformación para generar la imagen final. Trayectoria en zig-zag del espacio k como causa de los fantasmas Nyquist N/2 debido a ligeras diferencias de tiempo entre los picos de los ecos pares e impares. Dropouts susceptibility-induced field gradients (SFGs) Dropouts susceptibility-induced field gradients (SFGs) Movimiento  Aplicaciones clínicas  Conclusiones y comentarios finales Gracias