Los pacientes que se someten a una tomografía por emisión de positrones (PET) en los voluminosos Las máquinas en forma de rosquilla deben estar completamente quietas. Debido a esto, los científicos no pueden utilizar los escáneres para descubrir vínculos entre el movimiento y la actividad cerebral. ¿Qué sucede allí cuando asentimos con la cabeza o nos damos la mano? ¿En qué se diferencian los cerebros de las personas que luchan por caminar después de un derrame cerebral de los que pueden hacerlo?

Para abordar preguntas como estas, Julie Brefczynski-Lewis, neurocientífico de la Universidad de West Virginia (WVU), se ha asociado con Stan Majewski, un físico en WVU y ahora en la Universidad de Virginia, para desarrollar un escáner cerebral PET miniaturizado. El escáner se puede "llevar" como un casco, permitiendo que los sujetos de la investigación se pongan de pie y hagan movimientos mientras el dispositivo escanea. Este escáner de tomografía por emisión de positrones con microdosis ambulatoria (AMPET) podría lanzar nuevos estudios psicológicos y clínicos sobre cómo funciona el cerebro cuando se ve afectado por enfermedades que van desde la epilepsia hasta la adicción, y durante interacciones sociales ordinarias y disfuncionales.

"Hay muchas posibilidades, "dijo Brefczynski-Lewis, "Los científicos podrían usar AMPET para estudiar el Alzheimer o las lesiones cerebrales traumáticas, o incluso nuestro sentido del equilibrio. Queremos superar los límites de la movilidad de las imágenes con este dispositivo ".

La idea fue provocada por un escáner desarrollado para estudiar ratas, un proyecto iniciado en 2002 en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE). Majewski, un físico de alta energía de formación, originalmente se enteró del proyecto "RatCAP" de Brookhaven porque corría en los mismos círculos de físicos que varios de los miembros del equipo RatCAP.

"Me enteré de lo que estaban haciendo mis amigos y colegas de Brookhaven, "dijo Majewski, "y decidió construir el mismo tipo de dispositivo para humanos".

Inicios de Brookhaven

El animal doméstico consciente de la rata, o RatCAP, El escáner es un anillo de 250 gramos que se coloca alrededor de la cabeza de una rata, suspendido por resortes para soportar su peso y dejar que la rata corra mientras el dispositivo escanea. Nora Volkow, jefe de la división de Ciencias de la Vida de Brookhaven en ese momento, Se le ocurrió la idea de imaginar el cerebro de animales despiertos y en movimiento.

"Quería hacer exploraciones PET en animales sin tener que usar anestesia, "dijo Volkow, quien ahora es el Director del Instituto Nacional sobre el Abuso de Drogas. A diferencia de los humanos, no se puede decir a los animales que simplemente se queden quietos en un escáner. Pero la anestesia necesaria para que se acuesten aún enturbia los resultados. "Afecta la distribución del radiotrazador PET e inhibe las neuronas, "Dijo Volkow. Un escáner portátil, sin embargo, se movería con el cerebro del animal y eliminaría la necesidad de anestesia (ver CÓMO FUNCIONA LA MASCOTA). Volkow contó con la ayuda de científicos e ingenieros de Brookhaven para hacer realidad la idea.

Seguimiento de partículas

Afortunadamente, Existe una gran superposición entre las imágenes médicas y la física nuclear, un tema en el que Brookhaven Lab es líder mundial. Hoy dia, Los físicos en el laboratorio utilizan tecnología similar a los escáneres PET en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), donde deben rastrear las partículas que salen volando de las colisiones de núcleos cargados a la velocidad cercana a la de la luz. La investigación de PET en el laboratorio se remonta a principios de la década de 1960 e incluye la creación del primer escáner de plano único, así como varias moléculas trazadoras.

"Ambos campos piensan en las mismas cosas:cómo funcionan los fotodetectores, cómo funcionan los cristales centelleantes, cómo funciona la electrónica, ", dijo el físico de Brookhaven Craig Woody." Los escáneres PET, así como CT [tomografía computarizada] y MRI [resonancia magnética], son utilizados por médicos pero son construidos por detectores físicos ".

Leñoso, que ahora está trabajando en un nuevo detector de partículas para RHIC, dirigió el proyecto RatCAP con David Schlyer y Paul Vaska. En el momento, Schlyer y Vaska eran jefes de las operaciones de ciclotrón de Brookhaven y de la física del PET, respectivamente. Schlyer es ahora un científico emérito en el laboratorio y Vaska es profesor de ingeniería biomédica en la Universidad de Stony Brook.

Al diseñar el escáner a pequeña escala, el equipo utilizó avances recientes en tecnología de detectores. Por ejemplo, utilizaron cristales densos para convertir los fotones gamma generados por las interacciones positrón-electrón en luz visible, junto con pequeños sensores de detección de luz llamados fotodiodos de avalancha. También utilizaron electrónica especial desarrollada en Brookhaven e integrada en el compacto, detector de PET ligero. Suspender la estructura sobre resortes largos ayudó a soportar su peso para que las ratas pudieran "usar" el escáner mientras se movían fácilmente.

"Fue un esfuerzo muy colaborativo, "dijo Schlyer, que produjo los radioisótopos necesarios para las exploraciones. "Teníamos gente de la física, biología, química, medicamento, e ingeniería eléctrica ".

De ratas a sombreros

Se corrió la voz sobre RatCAP cuando los científicos presentaron su progreso en conferencias y reuniones. Stan Majewski, luego en la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del DOE (Laboratorio Jefferson), tomó nota. Había estado trabajando en nuevos métodos de diagnóstico por imágenes del cáncer de mama, aplicando su experiencia en detectores de física de alta energía al campo médico.

"Conocía a Stan desde hacía mucho tiempo, trabajamos juntos en el CERN, el laboratorio europeo de física nuclear, ", dijo Woody." Tengo que darle crédito porque constantemente decía 'realmente deberías hacer física médica' ".

Majewski señaló que la administración de Jefferson Lab apoyó mucho el proyecto y proporcionó algo de capital inicial incluso después de que se mudó a WVU para trabajar más en imágenes médicas. Mientras estuvo allí, amplió las ideas del RatCAP y construyó un prototipo de generador de imágenes cerebrales PET portátil para humanos.

"Una herramienta de imágenes cerebrales móvil tiene aplicaciones en la investigación psicológica y los usos clínicos, ", Dijo Majewski." Podría tomar imágenes de la epilepsia junto a la cama, por ejemplo, y observe lo que sucede en el cerebro durante una convulsión ".

Prototipo "Helmet_PET" de Majewski, patentado en 2011, usó fotomultiplicadores de silicio, uno más nuevo, fotodetector igualmente compacto pero más eficiente que los fotodiodos de avalancha utilizados en RatCAP.

"Stan vio el potencial en RatCAP y lo llevó más allá, "dijo Woody.

El dibujo de la patente del prototipo estaba sentado en el escritorio de Majewski en WVU cuando Brefczynski-Lewis, un neurocientífico, entró. El dibujo de un detector en forma de casco en una persona erguida llamó su atención.

"Siempre me había molestado esta zona media del cerebro a la que no se podía llegar con otras tecnologías de imágenes, ", dijo." Con la electroencefalografía (EEG) no se puede llegar a las estructuras profundas del cerebro, pero con PET y MRI no se puede tener movimiento. Pensé que el dispositivo de Stan podría llenar este nicho ".

Después de construir el primer prototipo en WVU, los dos científicos comenzaron a usar Helmet_PET para obtener imágenes de los cerebros de pacientes voluntarios. Después de que Majewski se transfiriera a la Universidad de Virginia, el equipo desarrolló un modelo más nuevo del dispositivo, ahora conocido como AMPET. La tapa de imágenes actual está diseñada para escanear a una persona de pie y está sujeta a un soporte superior, permitiendo algo de movimiento.

AMPET tiene una gran similitud con uno de los primeros escáneres PET construidos en Brookhaven, apodado el "secador de pelo".

"Las ideas han cerrado un círculo, ", dijo Schlyer." Lo que ha cambiado es la tecnología que hace posible estos dispositivos ".

El equipo de AMPET espera comenzar pronto a desarrollar un escáner de cerebro completo, uno que cubra toda la cabeza en lugar de examinar una sección horizontal de cinco centímetros. como el anillo actual.

La microdosis tiene un gran potencial

Debido a que AMPET se encuentra tan cerca del cerebro, puede "captar" más fotones procedentes de los radiotrazadores utilizados en la PET que los escáneres más grandes. Eso significa que los investigadores pueden administrar una dosis más baja de material radiactivo y aún así obtener una buena instantánea biológica. La captura de más señales también permite que AMPET cree imágenes de mayor resolución que el PET normal.

Pero lo mas importante, Las tomografías por emisión de positrones permiten a los investigadores ver más en el interior del cuerpo que otras herramientas de diagnóstico por imágenes. Esto permite que AMPET alcance estructuras neuronales profundas mientras los sujetos de investigación están de pie y en movimiento.

"Muchas de las cosas importantes que suceden con la emoción, memoria, y el comportamiento están profundamente en el centro del cerebro:los ganglios basales, hipocampo, amígdala, ", Dijo Brefczynski-Lewis.

Desde la perspectiva de un psicólogo o neurocientífico, AMPET podría abrir las puertas a una variedad de experimentos, desde explorar las reacciones del cerebro a diferentes entornos hasta los mecanismos involucrados en discutir o enamorarse.

Brefczynski-Lewis describió formas de usar AMPET para estudiar la actividad cerebral que subyace a las emociones. "Actualmente estamos haciendo pruebas para validar el uso de entornos de realidad virtual en futuros experimentos, ", dijo. En esta" realidad virtual, "los voluntarios leían un guión diseñado para enfurecer al sujeto, por ejemplo, a medida que se escanea su cerebro.

En el ámbito médico, el casco de escaneo podría ayudar a explicar lo que sucede durante los tratamientos farmacológicos, o arrojar luz sobre los trastornos del movimiento.

"Existe una subpoblación de pacientes de Parkinson que tienen grandes dificultades para caminar, pero puede andar en bicicleta con facilidad y sin dudarlo, "dijo Schlyer, quien también es profesor adjunto en el departamento de Radiología de Weill Cornell Medical College, donde estudia el Parkinson. "¿Qué está pasando en sus cerebros que hace que estas dos actividades sean tan diferentes? Con este dispositivo podríamos monitorear la activación regional del cerebro mientras los pacientes caminan y andan en bicicleta, y potencialmente responder a esa pregunta ".

Brefczynski-Lewis señaló, "Hemos logrado obtener imágenes del cerebro de alguien que camina en un lugar. Ahora estamos listos para construir una versión lista para el laboratorio. Ha sido un viaje emocionante:descubrir las necesidades de diferentes neurocientíficos y desarrollar este dispositivo que esperamos que algún día satisfaga esas necesidades. , y ayudarnos en nuestra búsqueda para comprender el cerebro ".

El proyecto RatCAP en Brookhaven fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE. RHIC es una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE para la investigación de la física nuclear.