Im¨¢genes del interior del cuerpo humano

Un nuevo reconocimiento a la espectroscop¨ªa de resonancia magn¨¦tica nuclear (RMN) por parte del Instituto Karolinska de Suecia se produjo el pasado 6 de octubre al otorgar el premio Nobel de Medicina a los investigadores Paul Lauterbur (Universidad de Illinois, EE UU) y Peter Mansfield (Universidad de Nottingham, Reino Unido). En este caso, el premio se les concede por sus descubrimientos en relaci¨®n con la obtenci¨®n de im¨¢genes por RMN. Esta es sin duda la aplicaci¨®n de la RMN con un mayor impacto y con beneficios m¨¢s tangibles y extendidos para la sociedad. Viene a cerrar por el momento la serie de siete premios Nobel iniciada por Isaac Rabi (F¨ªsica, 1944).

Una primera reflexi¨®n que es obligado hacer es la de considerar los imprevisibles caminos que tiene la ciencia b¨¢sica de encontrar su proyecci¨®n en beneficio de la sociedad. Pocos podr¨ªan pensar en los inicios del descubrimiento de la t¨¦cnica, en los que el inter¨¦s estaba centrado en algo tan ex¨®tico como el momento angular (esp¨ªn) de los n¨²cleos at¨®micos, que, con el tiempo, la RMN iba a constituirse en una de las principales t¨¦cnicas de diagn¨®stico cl¨ªnico y que contribuir¨ªa en ¨²ltimo grado a salvar muchas vidas. Es un ejemplo bien expresivo a tener en cuenta por quienes financian la investigaci¨®n. Lo importante es adentrarse hasta el ¨²ltimo extremo en el conocimiento de la naturaleza f¨ªsica del mundo que nos rodea. Las aplicaciones se suceder¨¢n despu¨¦s y no siempre del modo previsto.

Quiz¨¢ una fascinante aplicaci¨®n elucidar¨¢ los mecanismos cerebrales del lenguaje o el amor

Es un ejemplo bien expresivo a tener en cuenta por quienes financian la investigaci¨®n

El sujeto de estudio de la RMN son los n¨²cleos at¨®micos con esp¨ªn (momento angular) distinto de cero, como por ejemplo los n¨²cleos de hidr¨®geno. Cuando estos n¨²cleos se sit¨²an en el seno de un campo magn¨¦tico pueden adoptar dos orientaciones distintas, que corresponden a dos niveles de energ¨ªa, entre los que pueden inducirse oscilaciones si se irradia la muestra con una radiaci¨®n electromagn¨¦tica de frecuencia apropiada, generalmente en el rango de las radiofrecuencias. Esas oscilaciones pueden detectarse como una se?al, conocida como se?al de resonancia, cuya frecuencia depende exclusivamente del campo magn¨¦tico externo y del tipo de n¨²cleo que observamos. La mol¨¦cula de agua, que contiene dos n¨²cleos de hidr¨®geno equivalentes, dar¨¢ lugar a una sola se?al de resonancia.

La obtenci¨®n de Im¨¢genes por Resonancia Magn¨¦tica o IRM (el t¨¦rmino Nuclear pronto se omiti¨® frente a los usuarios por razones obvias) hubo de esperar a dos importantes desarrollos: la excitaci¨®n por pulsos de radiofrecuencia y el advenimiento de ordenadores de gran velocidad capaces de manejar la enorme cantidad y complejidad de datos involucrados en la formaci¨®n de im¨¢genes.

Paul Lauterbur, uno de los galardonados, fue el primero en publicar en 1973 una imagen bien simple: las secciones circulares de dos capilares de H2O inmersos en un tubo conteniendo agua pesada (D2O). Para ello, Lauterbur superpuso al campo magn¨¦tico externo un segundo campo m¨¢s d¨¦bil que variaba linealmente, creando lo que se denomina un gradiente de campo magn¨¦tico. De este modo, en un extremo del tubo el campo ser¨ªa m¨¢s intenso y en el otro extremo m¨¢s d¨¦bil, de forma conocida. Dado que la frecuencia de resonancia de los n¨²cleos es proporcional al campo externo, es posible entonces establecer una relaci¨®n entre la frecuencia de resonancia y la posici¨®n dentro de la muestra. Asimismo, la intensidad de la se?al de resonancia a cada frecuencia ha de ser proporcional al n¨²mero de n¨²cleos de hidr¨®geno, o mol¨¦culas de agua, contenidas en un determinado volumen elemental de la muestra.. Para la formaci¨®n de la imagen (v¨¦ase figura), Lauterbur utiliz¨® los datos provenientes de cuatro orientaciones diferentes del gradiente de campo junto con t¨¦cnicas de reconstrucci¨®n de im¨¢genes provenientes de la tomograf¨ªa axial computadorizada con excitaci¨®n por rayos X (TAC).

El camino a la obtenci¨®n de im¨¢genes y, en particular, a obtener im¨¢genes de secciones del cuerpo humano por RMN estaba abierto. Restaba la dif¨ªcil tarea de implementar todos los elementos necesarios: campo magn¨¦tico, que habr¨ªa de albergar a la muestra (un ser humano), transmisor de radiofrecuencia, receptor, sistema de excitaci¨®n y recogida de datos y ordenador para su procesado y obtenci¨®n de imagen. La contribuci¨®n del segundo de los galardonados, sir Peter Mansfield, radica precisamente en el dise?o de un r¨¢pido sistema de barrido de una secci¨®n del cuerpo humano que podr¨ªa hacerse en un tiempo del orden de minutos, haciendo posible de esta manera la utilizaci¨®n de la IRM con fines diagn¨®sticos (1976). En general, los pulsos de radiofrecuencia excitan un rango de frecuencias en relaci¨®n inversa a su anchura. Sin embargo, estos pulsos pueden hacerse selectivos, cambiando su forma y anchura, de manera que pueda excitarse a voluntad el rango de frecuencias que se desee. En la utilizaci¨®n de estos pulsos para seleccionar, primero, un corte de espesor determinado, y despu¨¦s una secci¨®n del mismo, y en la utilizaci¨®n de m¨¦todos ya conocidos de espectroscop¨ªa de RMN bidimensional est¨¢ basada la fundamental contribuci¨®n de Peter Mansfield a la IRM.

Estos descubrimientos despertaron el inter¨¦s de las grandes firmas comerciales, con el resultado de que los primeros equipos estaban ya en el mercado a principio de la d¨¦cada de los ochenta. Posteriores avances en la velocidad de c¨¢lculo y almacenamiento de datos por ordenador, as¨ª como en la utilizaci¨®n de imanes superconductores, permitieron la construcci¨®n de equipos con sensibilidad y resoluci¨®n enormemente mejoradas. Actualmente, la IRM ha venido a complementar la informaci¨®n proporcionada por la TAC, pues la informaci¨®n principal proviene no de los partes m¨¢s densas (huesos) sino de los n¨²cleos de hidr¨®geno del agua que contienen los tejidos. Mediante la IRM se obtienen im¨¢genes con un mayor contraste, lo que permite distinguir tejidos con un gran detalle, as¨ª como detectar los cambios patol¨®gicos que puedan producirse en los mismos, cuando ¨¦stos van acompa?ados de cambio en el contenido de agua, lo que es frecuente. Es especialmente importante la informaci¨®n que la IRM proporciona en la detecci¨®n de tumores, en cardiolog¨ªa y en neurolog¨ªa. La IRM es ciertamente vers¨¢til y puede proporcionar distintos tipos de im¨¢genes dependiendo del par¨¢metro magn¨¦tico que se examine. Adem¨¢s de observar la intensidad de la se?al, es posible obtener im¨¢genes potenciadas por los tiempos de relajaci¨®n T1 y T2. El primero es el tiempo que emplean los n¨²cleos en volver a su alineamiento inicial, una vez que han sido excitados, y el segundo es el tiempo que persiste la se?al de resonancia creada. Los tiempos de relajaci¨®n dependen de la movilidad de las mol¨¦culas de agua, que en muchas ocasiones var¨ªa entre tejidos, o en casos patol¨®gicos, mucho m¨¢s que el contenido de agua de los mismos. Las im¨¢genes tomadas en base a los tiempos de relajaci¨®n proporcionan un mayor contraste que los espectros de contenido de agua, pudiendo el mismo mejorarse mediante la administraci¨®n de un agente de contraste apropiado.

La historia de la IRM no est¨¢ aun acabada. Un ¨¢rea de gran actividad en la actualidad es la IRM funcional (fIRM), basada en la observaci¨®n de que la susceptibilidad magn¨¦tica (magnitud del campo inducido por un campo externo) de la sangre arterial, completamente oxigenada, difiere en un 20% de la sangre venosa, totalmente desoxigenada. Esta diferencia puede aprovecharse para registrar cambios en el nivel de ox¨ªgeno en la sangre, lo que a su vez nos conduce a detectar, por ejemplo, los sitios cerebrales con actividad fisiol¨®gica como respuesta a est¨ªmulos sensoriales. Esta fascinante aplicaci¨®n de la fIRM puede llevarnos en un futuro a conseguir elucidar los mecanismos de la actividad cerebral en relaci¨®n con el lenguaje, la m¨²sica o el amor.

Manuel Rico Sarompas es profesor de investigaci¨®n del CSIC.