Estímulo de los circuitos neuronales con magnetismo

Slimsdizz (Wikimedia Commons)
Fuente: Slimsdizz (Wikimedia Commons)

La estimulación cerebral puede sonar como una demostración de Frankenstein de una feria de ciencias victoriana. Pero en realidad, es una técnica contemporánea que tiene un gran impacto en la neurociencia al abordar una limitación de larga data de los métodos tradicionales para investigar la función del cerebro humano. Tales técnicas, como EEG y fMRI, solo pueden usarse para inferir los efectos de un estímulo o tarea en la actividad cerebral, y no a la inversa. Por ejemplo, un científico podría usar EEG para estudiar el efecto de una tarea como el movimiento del brazo en la actividad cerebral, pero ¿cómo se puede estudiar el efecto de la actividad cerebral en el movimiento del brazo?

En la actualidad, las técnicas de estimulación cerebral no invasiva como la estimulación magnética transcraneal (TMS) ofrecen alternativas a los viejos paradigmas. TMS puede excitar o suprimir el tejido cerebral subyacente de forma segura y ética, lo que permite a los investigadores estudiar las relaciones causales entre los circuitos cerebrales y el comportamiento. Además, TMS puede tener un valor terapéutico en el tratamiento de trastornos cerebrales como la depresión.

Wikimedia Commons, National Institutes of Health
Fuente: Wikimedia Commons, Institutos Nacionales de Salud

Así es como funciona. Una bobina circular de alambre se fija sobre la cabeza de un sujeto, y la corriente en el cable induce un campo magnético. Debido a que las partículas cargadas en un campo magnético experimentan una fuerza perpendicular a la dirección del campo, el movimiento de los iones en los tejidos cerebrales subyacentes se ve alterado por este campo. Esto interrumpe el disparo de las neuronas en el tejido cortical, simulando una "lesión" cerebral. Por ejemplo, activar la bobina sobre el área de Broca, una región del cerebro necesaria para la producción del habla, hace que los participantes tartamudeen y dejen de hablar a mitad de la oración. Sin embargo, el participante puede cantar una canción si así se le indica, lo que demuestra que hablar y cantar dependen de diferentes circuitos neuronales.

Como su nombre indica, TMS también puede excitar el tejido cerebral, dependiendo de la frecuencia de los pulsos aplicados. Usado sobre la corteza motora, por ejemplo, TMS puede inducir contracciones en músculos específicos. Un experimento particularmente creativo que ilustra este efecto fue realizado por investigadores de la Universidad de Washington en Seattle. Rajesh PN Rao y sus colegas usaron la salida del EEG de un sujeto como la entrada a la bobina TMS de otro sujeto. Como el primer sujeto imaginado flexionando su dedo índice derecho, el EEG registró actividad eléctrica relacionada con este movimiento imaginario desde el cuero cabelludo sobre la corteza motora. La salida eléctrica registrada con EEG fue alimentada a la bobina TMS del segundo sujeto, fijada sobre la misma región del cuero cabelludo, ¡haciendo que el segundo sujeto realmente moviera su dedo!

2014 Rao et al. (Creative Commons license)
Fuente: 2014 Rao et al. (Licencia Creative Commons)

TMS puede, en un sentido estricto, incluso hacer que los ciegos vuelvan a ver. En individuos que perdieron la mayor parte de la vista debido a una lesión ocular, el TMS aplicado sobre la corteza visual induce la experiencia visual de formas y colores llamados fosfenos, muy parecidos a las formas y colores que puede ver después de frotarse los ojos.

Los usos terapéuticos de TMS buscan corregir la actividad cerebral en una variedad de trastornos que van desde la depresión hasta el trastorno obsesivo compulsivo (TOC). Los estudios de TMS para la depresión muestran alivio de los síntomas depresivos cuando la estimulación se aplica sobre una región cortical llamada corteza prefrontal dorsolateral. Los resultados de estos estudios generalmente se miden en relación con una condición simulada, en la que se utiliza estimulación falsa para garantizar que los resultados no se debieron a un efecto placebo. TMS ofrece una nueva esperanza para los pacientes con depresión que no responden a los tratamientos farmacológicos y también puede ser eficaz en el tratamiento de otros trastornos. Pero al igual que muchos tratamientos psiquiátricos, los investigadores aún no están seguros de cómo y por qué TMS ofrece alivio de los síntomas. Dada la gran cantidad de células y sinapsis en el área del cerebro a la que se aplica TMS, los efectos de incluso un simple pulso magnético son imposibles de calcular por completo.

Wikimedia Commons, National Institutes of Health
Fuente: Wikimedia Commons, Institutos Nacionales de Salud

Si bien el mecanismo exacto por el cual TMS trata la depresión es incierto, puede ejercer sus efectos terapéuticos por principios abstractos similares a la terapia electroconvulsiva, o TEC, que trata la depresión severa al inducir una convulsión. Esta experiencia es diferente de una crisis epiléptica, porque al paciente se le administra anestesia y relajantes musculares después de dar su consentimiento para recibir tratamiento. Entonces, ¿por qué un ataque realmente útil? Carey Bagdassarian, profesor titular de estudios interdisciplinarios en el Colegio de William y Mary, ha especulado que la descarga eléctrica de la TEC puede "empujar" al cerebro fuera de un estado deprimido, de forma similar a como un fuerte empuje perturba una pelota en un valle profundo. En esta analogía, el paisaje de los valles es el espacio matemático abarcado por variables cerebrales relevantes, como las tasas de activación neuronal. Es importante tener en cuenta que esta especulación aún no se ha formalizado ni se ha probado directamente (¿qué sucede si el "impulso" se da en la dirección incorrecta?). Sin embargo, los investigadores en el Reino Unido han encontrado que el tratamiento con TEC para la depresión, de hecho, reduce las correlaciones entre los patrones de actividad metabólica en las regiones del cerebro frontal y el resto del cerebro. Esto sugiere que la ECT libera circuitos cerebrales frontales desde un estado deprimido que puede limitar sus actividades, como el valle metafórico sugerido por Bagdassarian.

Ya sea justificado o no, la reputación de ECT con el público ha sido dañada por informes de pérdida de memoria y acusaciones de abuso. TMS, sin embargo, puede ofrecer una alternativa más sutil y más matizada para reiniciar el cerebro, tal vez por un mecanismo similar. Al igual que la TEC, los tratamientos con TMS para la depresión parecen alterar las correlaciones entre la actividad metabólica en la corteza prefrontal dorsolateral y en otra región del cerebro conocida como cingulado subgenual. Pero a diferencia de la TEC, TMS rara vez provoca convulsiones cuando se administra adecuadamente, y su estimulación puede dirigirse a regiones específicas de la corteza cerebral, lo que podría decirse que hace de la TMS una herramienta más flexible y versátil que la TEC.

Frontiers for Young Minds, Shamir et al 2014 (Creative Commons License)
Ilustración de la estimulación cerebral profunda
Fuente: Frontiers for Young Minds, Shamir et al 2014 (Creative Commons License)

Más allá de TMS y ECT, la estimulación cerebral continúa floreciendo en una familia de técnicas con diferentes fortalezas y aplicaciones. La estimulación cerebral profunda, o DBS, implanta quirúrgicamente electrodos para estimular las estructuras cerebrales centrales que no pueden alcanzarse desde el cuero cabelludo, como el tálamo y los ganglios basales. Si bien es invasivo, la técnica muestra una gran promesa para el tratamiento de la enfermedad de Parkinson. Por otro lado, la estimulación de corriente directa transcraneal, o tDCS, es una técnica que ha provocado alarma con numerosos informes de autoexperimentación estilo hágalo usted mismo por aficionados al taller (no lo recomiendo). La técnica en sí es relativamente simple, involucrando la aplicación de una corriente débil y continua a través de la cabeza. Si bien muestra cierta eficacia para el tratamiento de la depresión, una aleccionadora demostración en cadáveres humanos a principios de este año sugiere que la corriente de tDCS puede no pasar por el cerebro, lo que plantea un debate feroz sobre su verdadero mecanismo de acción.

Una persona no elige el cerebro con el que nació. La estimulación cerebral ofrece la esperanza de que podamos reparar circuitos en cerebros enfermos de pacientes con depresión que de otro modo sería intratable y trastornos similares. No todos los ensayos clínicos de TMS tendrán éxito, y las posibilidades que permiten las técnicas más accesibles, como tDCS, deben abordarse de manera responsable. Pero, sin lugar a dudas, la estimulación cerebral que marca el comienzo de una nueva era de control del cerebro es imposible hasta ahora.

Referencias

Rao, Rajesh PN, y col. "Una interfaz directa de cerebro a cerebro en humanos". PloS one 9.11 (2014): e111332.

Gothe, Janna, y col. "Cambios en la excitabilidad de la corteza visual en sujetos ciegos como lo demuestra la estimulación magnética transcraneal". Brain 125.3 (2002): 479-490.

Bagdassarin, Carey, mensaje de correo electrónico al autor, 28 de octubre de 2016.

Perrin, Jennifer S., y col. "La terapia electroconvulsiva reduce la conectividad cortical frontal en el trastorno depresivo grave". Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias 109.14 (2012): 5464-5468.

Fox, Michael D., et al. "La eficacia de los objetivos de estimulación magnética transcraneal para la depresión se relaciona con la conectividad funcional intrínseca con el cingulado subgenual". Psiquiatría biológica 72.7 (2012): 595-603.

Alonzo, Angelo, y col. "Estimulación de corriente directa transcraneal (tDCS) para la depresión: Análisis de la respuesta utilizando una estructura de tres factores de la escala de calificación de la depresión de Montgomery-Åsberg." Journal of affective disorders 150.1 (2013): 91-95.

Underwood, Emily. "El estudio de cadáveres desafía los métodos de estimulación cerebral". Science 352.6284 (2016): 397-397.

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