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Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica

Avances en la observación de la actividad del cerebro humano

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Comprender cómo funciona el cerebro es una de las grandes incógnitas de la naturaleza. Este estudio se ha convertido en el uno de los grandes retos de inicios de siglo XXI como lo reflejan las iniciativas BRAIN estadounidense o la HUMAN BRAIN PROJECT de la Comisión Europea a través de proyectos de gran envergadura como el Human Connectome Project. En México es posiblemente el área científica más activa, desde el estudio de neuronas independientes, pasando por la fisiología y conectividad en humanos y animales, hasta llegar a la psicología y psiquiatría.

La observación de la actividad cerebral se lleva a cabo mediante neuroimágenes cuya historia se remonta a 1924 cuando Hans Berger obtuvo la primera señal encefalográfica (EEG). Desde entonces han surgiendo otras maneras de hacer neuroimágenes, como la resonancia magnética funcional (MRI-BOLD) o la tomografía de emisión de positrones (PET), entre otras, con diferentes fortalezas y debilidades. En 1977, Jobsis puso la primera piedra para otra modalidad de neuroimagen basada en la irradiación y sensado de luz infraroja: la neuroimagen por espectroscopia infrarroja funcional (fNIRS).

La fNIRS esencialmente es un arreglo de oxímetros de pulso (como los que usan los médicos hoy día en el dedo para medir el pulso y ver la oxigenación) colocados inteligentemente alrededor de la cabeza. La popularidad de esta nueva modalidad de neuroimagen óptica empezó a crecer a medida que se fueron superando retos científicos, primero lentamente hasta su reciente explosión a nivel mundial en la última década. En México comienza una incipiente actividad investigadora en esta área en el último lustro. Por un lado, el equipo de la UNAM en su campus de Juriquilla en Querétaro para investigación en neurodesarrollo y por otro lado de forma concurrente, pero enfocados principalmente al desarrollo de la instrumentación y de la capacidad analítica, con aplicaciones en neurorrehabilitación y neuroergonomía nuestro grupo en el INAOE (en un esfuerzo colaborativo entre los departamentos de Óptica y Ciencias Computacionales).

En este recorrido, nuestra primera parada es en el desarrollo de un dispositivo de oximetría combinado, capaz de llevar a cabo mediciones en la modalidad más clásica de onda continua pero también en el dominio de la frecuencia, además de poder realizar coregistro simultáneo con tecnias de EEG. Esta innovadora versatilidad nos permite con pequeñas adaptaciones utilizarlo para actuar como un tomógrafo coherente o buscar la evasiva señal óptica rápida; investigación que llevamos a cabo en colaboración con el Instituto Nacional de Neurología y Neurocirugía de la Ciudad de México. Hasta ahora hemos podido observar un pico de intensidad en la respuesta óptica a la excitación de una neurona cultivada in vitro que creemos puede ser asociada a la señal óptica rápida. Siguiendo en la parte de instrumentación trabajamos en el desarrollo de un arnés reconfigurable y que permita la adquisición de datos multimodales.

Nuestra siguiente parada es en la matemática de la reconstrucción de la imagen. Aquí hemos desarrollado un modelo anatómico-óptico de alta resolución con el que esperamos poder determinar la contribución de la irrigación de la sangre al cuero cabelludo, que es la mayor fuente de ruido sistémica en la observación de la actividad cerebral de forma que dicho ruido pueda ser eliminado de la ecuación durante la resolución del problema inverso.

Tras la reconstrucción viene el procesamiento y análisis de las observaciones para la extracción de la información latente sobre la actividad cerebral; problema que atacamos desde varios ángulos con propuestas novedosas basadas en modelos gráficos probabilistas causales, el modelado mediante variedades topológicas, y en breve (a partir de septiembre) comenzaremos también a trabajar con teoría de la información, pero también sin perder nunca de vista las formas más tradicionales basadas en estadística y teoría de grafos.

Llegando al final de nuestro recorrido, la última transformación, conocida como interpretación, es la que convierte los resultados duros obtenidos mediante el análisis en conocimiento útil de forma primaria para los expertos en neurociencias y eventualmente llegar a la sociedad. Aquí estamos trabajando con técnicas de procesamiento de lenguaje natural combinadas con técnicas de representación del conocimiento como ontologías con el objetivo de optimizar diseños experimentales y estrategias de análisis.

Sin duda, los logros visibles son satisfactorios, pero no son más que la consecuencia de la investigación que llevamos día a día en el laboratorio. Esta investigación tiene varias ramas que procuran cubrir todo el ciclo de vida de la información biomédica, desde la irradiación del tejido con luz infraroja y su sensado hasta su traducción en conocimiento biomédico.

El trabajo conjunto entre los departamentos de Óptica y Ciencias Computacionales del INAOE se ha visto beneficiado hasta ahora con la obtención de tres proyectos financiados por el CONACYT, dos en la modalidad de ciencia básica y un tercero en la modalidad de infraestructura. La financiación nos ha permitido a los dos laboratorios, el de Óptica y el de Procesamiento de Bioseñales en computación contar con equipo de vanguardia, entre el que destaca un equipo comercial fNIRS (NIRX NIRScout de 128 canales) con el que hacer mediciones más estándares para aplicaciones y la capacidad de realizar nuestra propia instrumentación a través de prototipado 3D.

Esto ya se está traduciendo en la generación de varias publicaciones de revista, capítulos de libro y conferencias internacionales incluyendo la conferencia más importante del mundo en el área, que este año 2016 se celebrará en París y en la que estaremos presentes con dos trabajos en colaboración con el prestigioso laboratorio de óptica biomédica de University College London, quizás el más importante del mundo en fNIRS con permiso del grupo de Harvard. Asimismo tenemos una fuerte actividad en la formación de nuevos recursos humanos. Actualmente, el grupo de fNIRS del INAOE cuenta con dos investigadores titulares (los autores), tres posdoctoles, cuatro estudiantes de doctorado (uno en óptica y tres en computación) y dos estudiantes de maestría, así como y uno de licenciatura. Pero incluso en nuestra aún corta pero intensa trayectoria, contamos ya con “egresados” del grupo: dos postdoctorales, dos de maestría y un estudiante de licenciatura.

Aunque nuestro grupo es muy joven, y como investigadores siempre nos gustaría avanzar más rápido, haciendo un balance de estos primeros años de actividad estamos convencidos de que vamos por el buen camino. Seguimos mirando con mucha ilusión al futuro de nuestra investigación, y tenemos la firme intención de convertirnos en un referente nacional, a nivel Latinoamérica, y por qué no, llegado el tiempo, quizás a nivel mundial.

Texto por: Carlos G. Treviño Palacios y Felipe Orihuela-Espina
INAOE


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