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Teoría 2. Métodos en neurociencia cognitiva

DEPARTAMENTO DE BIOLOGÍA CELULAR, FISIOLOGÍA E INMUNOLOGÍA

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Índice

  • Motivo de la clase
  • Principales métodos clásicos
    • EEG
    • MEG
    • fMRI
    • TMS
    • Grabación intracraneal
    • PET y TDCS

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  • Nuevos métodos
    • Farmacogenética
    • Optogenética
    • Un nuevo campo emerge
  • A tener en cuenta
    • Dobles disociaciones
    • Pares mínimos
  • Conclusiones y discusión
  • Referencias

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Motivo de la clase

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Aporta una introducción a los métodos de la investigación en neurociencia para que el estudiante pueda conocer e indagar y le resulte más sencillo trabajar en el laboratorio, hacer un diseño experimental y entender artículos científicos.

Nos sirve de herramienta para la comprensión de artículos científicos en neurociencia, así como para la realización de una buena discusión en prácticas.

Cambia el paradigma de enseñanza ya que no trata de bombardear con información que el estudiante debe memorizar, sino ofrecer una breve introducción y sus fuentes para que el que desee sepa donde buscar en caso de necesitarlo.

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Electroencefalografía (EEG)

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No invasiva

Mejor resolución temporal

Peor resolución espacial

Mide corteza

Su resolución espacial es muy mala porque el cráneo y la duramadre difuminan la señal.

Fig. 1. Electroencefalografía. Fuente: https://invanep.com/blog_invanep/historia-y-avances-de-la-electroencefalografia-eeg

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Magnetoencefalografía (MEG)

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Fig. 2. Magnetoencefalografía. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Magnetoencefalograf%C3%ADa

No invasiva

Buena resolución temporal

Mala resolución espacial

Recibe señal de cisuras y no de circunvoluciones

Fig. 3. Dibujo corrientes magnéticas. Fuente: https://ocw.mit.edu/courses/9-13-the-human-brain-spring-2019/c440153efdea2dd167752d2b5bc34220_MIT9_13S19_L05.pdf

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Resonancia magnética funcional (fMRI)

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Para más información acerca de fMRI, ver libro Principios de neurociencia de Eric Kandel y ver clase de Cognitive neuroscience methods I del curso del MIT de Nancy Kanwisher en https://ocw.mit.edu/9-13S19

Fig. 4. Máquina de resonancia magnética funcional. Fuente: http://neuromarca.com/neuromarketing/fmri/

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Resonancia magnética funcional (fMRI)

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No invasiva

Mejor resolución espacial

Peor resolución temporal

Muy costosa

BOLD

Tiene la peor resolución temporal por ser BOLD (Blood Oxigen Level Dependent). La máquina mide la resonancia de la sangre oxigenada, partiendo de que las zonas con mayor actividad neuronal tienen mayor tasa metabólica y demandan más oxígeno por vasodilatación de los vasos específicos de esa zona del cerebro. La resolución espacial es buena (1-10 mm), aunque no llega a ser nivel neuronal, pero la temporal es peor (5-6 s) debido a que la vasodilatación tarda en producirse. Da información sobre zonas profundas (además de corticales).

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Estimulación magnética transcraneal (TMS)

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No Profundiza

No recibe señal sino que activa o inhibe

No invasivo

Prueba causalidad

Baja resolución espacial (2cm) y buena temporal

Fig. 5. Estimulación magnética transcraneal. Fuente: https://www.mayoclinic.org/es-es/tests-procedures/transcranial-magnetic-stimulation/about/pac-20384625

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Grabación intracraneal (IR)

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Fig. 6 y 7. Resultados de grabación intracraneal y sujeto que se ofreció a hacer el estudio en vísperas de su neurocirugía. Fuente: https://ocw.mit.edu/courses/9-13-the-human-brain-spring-2019/c440153efdea2dd167752d2b5bc34220_MIT9_13S19_L05.pdf

Necesita que no haya cráneo ni duramadre

Muy invasivo

Aporta información específica sobre parches de neuronas

Muy buena resolución espacial (2mm) y temporal

No evidencia causalidad a menos que estimules mediante los mismo electrodos

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Grabación intracraneal (IR)

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Pero, ¿podemos llegar a un nivel mayor de resolución en el que detectemos la actividad de neuronas individuales?

¡Sí! Añadiendo al extremo de los electrodos (EEG) unos microhilos (microwires) podemos ver la actividad de neuronas individuales. No solo eso, sino que podemos ver como reaccionan de manera diferente frente a diferentes estimulos (en este caso caras frente a objetos y diferentes caras).

Fig. 8. Artículo científico. S. Khuvis, et al. “Face selective units in human ventral temporal cortex reactivate during free recall.” bioRxiv 487686. Fuente: doi: https://doi.org/10.1101/487686.

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PET y TDCS

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Un método no comentado en el curso del MIT es la tomografía de emisión de protones (o PET de positron emisión tomography) se pueden consultar en el libro Principles of neural Science de Eric Kandel et al. No lo comentaremos ya que no se ve en tantos artículos recientes. Otro muy interesante que pasa desapercibido es la estimulación transcraneal por corriente directa (o TDCS de transcranial direct current stimulation). Este último lo veremos en un artículo de la siguiente clase de teoría.

Fig. 9. Aparatos de estimulación transcraneal por corriente directa. Fuente: https://www.electrolisisterapeutica.com/tdcs-estimulacion-transcraneal-corriente-directa/

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PET y TDCS

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Figs. 10 y 11. Representación de estimulación transcraneal por corriente directa y figuras representativas de las funciones catódica y anódica del método, respectivamente. Fuente: https://www.electrolisisterapeutica.com/tdcs-estimulacion-transcraneal-corriente-directa/

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Nuevos métodos

  • Farmacogenética: uso de receptores activados farmacológicamente por un ligando específico.
  • Optogenética: uso de canales iónicos activados por luz.

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No voy a entrar en detalle ya que se han comentado en profundidad en la práctica del profesor Juan Roa Rivas.

Fig. 12. Procedimiento de inyección estereotáxtica de adenovirus para la expresión de receptores o canales iónicos. Fuente: Diapositivas de Juan Roa Rivas sobre nuevos métodos en neurociencia.

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Farmacogenética

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DREADDS

Ventajas

    • No es invasivo
    • Tratamientos crónicos
    • Permite estudio distintas rutas

Desventajas

    • Si hay CNO disponible no hay efecto neurológico
    • En humanos CNO es metabolizado a clozapina y esta activa receptores endógenos.

CNO= Clozapine N-oxide

DREADDS= Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs

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Optogenética

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Optogenética

Ventajas

    • Muy buena resolución temporal
    • No afecta rutas de señalización intracelulares
    • Permite activación/inhibición independiente de poblaciones neuronales distintas

Desventajas

    • Invasivo
    • No trata enfermedades crónicas
    • Iluminación excesiva puede causar daños tisulares

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Un nuevo campo emerge

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“Trying to understand perception by studying only neurons is like trying to understand bird flight by studying only feathers; it just cannot be done. To understand bird flight, you need to understand aerodynamics, only then can one make sense of the structure of feathers and the shape of wings. Similarly, you can't reach an understanding of why neurons in the visual system behave the way they do, just by studying their anatomy and physiology”

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-Marr, 1982

Fig. 13. David Marr. Fuente: https://www.neuroscience.cam.ac.uk/events/ABC2019/pages/about-marr.html

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Un nuevo campo emerge

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"The nature of the computations that underlie perception depends more upon the computational problems that have to be solved than upon the particular hardware in which their solutions are implemented”

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-Marr, 1982

Fig. 14. David Marr. Fuente: https://www.neuroscience.cam.ac.uk/events/ABC2019/pages/about-marr.html

La neurociencia computacional (y la programación en otras áreas) está siendo cada vez más valorada en el mercado. El manejo de grandes cantidades de información hacen estas habilidades algo vital para neurocientíficos, genetistas, biólogos moleculares, etc.

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A tener en cuenta

    • Dobles disociaciones
    • Pares mínimos

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Consejos extraídos de la clase 5 (Cognitive neuroscience methods II) del curso The human brain del MIT de Nancy Kanwisher.

Fig. 15. Nancy Kanwisher en la clase 5 del curso The human brain del MIT. Fuente: https://www.youtube.com/watch?v=YD7QG4G7WVg&list=PLUl4u3cNGP60IKRN_pFptIBxeiMc0MCJP

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Dobles disociaciones

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    • Las dobles disociaciones tratan de buscar dos sujetos cuyas lesiones cerebrales (o por desarrollo) no les permiten realizar la tarea específica que el otro sí puede.

¿Qué son?

    • Así como tenemos controles negativos y positivos, tener una doble disociación nos aporta evidencia de que esa zona se especializa en esa tarea.

¿Por qué son interesantes?

    • En el caso del curso comentado, la prosopagnosia (capacidad de reconocer caras) se estudia respecto a la capacidad de reconocer objetos. Obtener un sujeto que pueda reconocer caras perfectamente y no objetos nos da evidencia de que no es la misma zona la que se encarga de ambas pero una pequeña lesión imposibilita la función más compleja. Son dos funciones totalmente separadas.

Ejemplo

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Pares mínimos

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    • Los pares mínimos tratan dos tareas que solo difieran en un proceso mental (e.g. percepción de serpientes).

¿Qué son?

    • Nos aporta un buen enfoque de estudio sobre la función tratada.

¿Por qué son interesantes?

    • Porque cuando tratamos un proceso mental es difícil separarlo de todos los demás y diseñar un experimento que difiera solo en ese.

¿Por qué es complicado tenerlos?

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Conclusiones y discusión

  • Buscamos métodos no solo con buena resolución espacial y temporal, la causalidad es nuestro principal objetivo.
  • Los nuevos métodos en neurociencia nos muestran una nueva forma de diseñar experimentos en neurociencia.
  • El diseño experimental debe tener cuentas pares mínimos, controles, dobles disociaciones y la distinción entre correlación y causalidad.
  • La neurociencia computacional es un campo importantísimo en la neurociencia contemporánea. Habilidades de programación y análisis de datos son imprescindibles.

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Referencias

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