Técnicas científicas para estudiar el cerebro humano

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Alexander Luis Ortiz Ocaña.

Alexander Ortiz Ocaña[1]

Hablar sobre el cerebro sin observarlo

Han transcurrido ya más de 80 años desde que Vygotsky y Piaget esbozaran sus innovadoras y controversiales teorías sobre el aprendizaje y el desarrollo humano. En la época de estos dos eminentes psicólogos aún no existía la tecnología que tenemos hoy para observar el cerebro en movimiento. Alexander Luria, notable neuropsicólogo ruso, tampoco lo pudo observar. No obstante, Luria, a pesar de no observar la estructura cerebral, fue uno de los primeros neurocientíficos en analizarlo en tres módulos o sistemas: cognitivo, afectivo e instrumental.

Santiago Ramón y Cajal, padre de las neurociencias, tampoco pudo observar la estructura cerebral. Este neurólogo español, desde 1901, consideró a las neuronas como la esencia del funcionamiento del cerebro. Mediante sus investigaciones sobre los mecanismos que gobiernan la morfología y los procesos conectivos de las células nerviosas, desarrolló una teoría nueva y revolucionaria que empezó a ser llamada la “doctrina de la neurona”, basada en que el tejido cerebral está compuesto por células individuales.

En este tercer milenio todo es muy diferente, estamos viviendo una época apasionante y maravillosa para el estudio científico del cerebro. Actualmente, es posible observar el cerebro humano vivo en movimiento, mediante la utilización de múltiples herramientas, basadas en el principio de que las neuronas y demás células cerebrales transmiten información en forma de impulsos eléctricos. De ahí que hoy sea posible, mediante la tecnología, develar lo que una persona está pensando en un momento determinado, desentrañar lo que está sintiendo y cómo actuaría en los minutos siguientes.

Como todas las células del cuerpo, las neuronas funcionan como pequeñas baterías. Existe una diferencia de voltaje (casi la décima parte de un voltio) entre el interior y el exterior de la célula, siendo el primero más negativo. Cuando se activa, la neurona descarga un impulso denominado potencial de acción. Entonces iones de sodio atraviesan a toda prisa los poros de la membrana, lo que invierte brevemente el voltaje a través de la misma.

Se pueden medir los impulsos eléctricos de las neuronas mediante el uso directo de electrodos. Por lo general, los estudios electrofisiológicos se llevan a cabo en animales, a los que se les toman registros de neuronas individuales. Esto es técnicamente muy complicado porque las neuronas son muy pequeñas. Los registros se efectúan con agujas filiformes introducidas en el cerebro del animal mientras está anestesiado y se le presenta estimulación sensorial, o bien está despierto y ejecutando una tarea determinada. Esta técnica proporciona una medida directa de la actividad en la neurona.

Hacer esto mismo en el cerebro humano es muy difícil, aunque en algunas investigaciones se ha logrado indagar qué sucede cuando se estimulan las células del cerebro humano por medio eléctrico. Estos estudios revelan en detalle los recuerdos, emociones, sentimientos y pensamientos que afloran con solo estimular alguna configuración de cientos de miles de células nerviosas. El neurocirujano americano Wilder Penfield fue el primero en demostrar que se pueden estimular configuraciones de neuronas cerebrales de pacientes que experimentan cirugía cerebral. Por lo general, a las personas que se ofrecieron voluntarias para este estudio se les iba a practicar una intervención quirúrgica a cráneo abierto para curar la epilepsia. Esto es posible porque el cerebro no contiene receptores del dolor, de modo que durante la operación el paciente puede permanecer despierto y consciente sin sentir molestia alguna. Penfield se asombró al descubrir que la estimulación de pequeñas regiones de la corteza temporal provocaba que los pacientes evocaran recuerdos vividos de su infancia.

Observar el cerebro en movimiento

Para evaluar la actividad cerebral en los seres humanos existen diversos métodos no invasivos que miden la actividad de grupos de miles o millones de neuronas conectadas entre sí en regiones cerebrales concretas. Los cambios de voltaje dentro de todas las neuronas activas originan diminutos campos eléctricos que irradian a través del tejido cerebral, el cráneo y la piel, pudiendo ser captados mediante electrodos pegados a la superficie del cuero cabelludo. Estos registros constituyen lo que se conoce como electroencefalogramas (EEG).

El EEG mide la actividad de las configuraciones de neuronas. Para detectar una señal, hace falta que estén activas muchos miles de neuronas. Normalmente, esto sucede a lo largo de varios minutos u horas. Se han medido diferentes ritmos durante los estados del sueño y la vigilia que indican en qué grado alguien está despierto en dicho momento. Mediante EEG, es posible distinguir períodos en que el individuo está más o menos despierto mientras duerme.

Los neurocientíficos usan con frecuencia EEG para tomar registros de potenciales evocados (ERP, por Event-Related Potentials, o potenciales relacionados con el suceso), que son respuestas eléctricas producidas en un momento fijo en relación con un estímulo determinado. Es decir, se pueden tomar registros de las fluctuaciones de voltaje inducidas por el suceso (el tono) en el cerebro. Para entender este concepto, imaginemos un estímulo simple, por ejemplo, un tono individual. Si registráramos la actividad cerebral que sigue a la presentación del tono, habríamos captado un potencial evocado.

Una corriente eléctrica siempre genera un campo magnético, que también irradia a través del cráneo pudiendo ser medido fuera de la cabeza con detectores sensibles de campo magnético. Estas mediciones magnéticas reciben el nombre de magnetoencefalogramas (MEG). En 1975, se llevó a cabo el primer experimento de MEG, en el que se mostraron estímulos visuales a los participantes mientras los neurocientíficos medían los campos magnéticos en el cuero cabelludo. Los investigadores observaron que había respuestas magnéticas en la parte posterior del cerebro, donde se halla la corteza visual. Actualmente, los MEG se utilizan cada vez más en investigaciones sobre el funcionamiento del cerebro humano, pues a diferencia de los EEG, para establecer contacto con el cráneo no hacen falta electrodos complejos.

La electroencefalografía (EEG) y la magnetoencefalografía (MEG) miden respectivamente la actividad eléctrica y magnética que se produce en el cerebro. Los registros se llevan a cabo mediante electrodos colocados en el cráneo. Asimismo, el flujo sanguíneo es un indicador de la actividad cerebral y puede medirse con técnicas de neuroimágenes. La sangre fluye a regiones del cerebro en las que la actividad neuronal es máxima y que requieren un reabastecimiento de oxígeno y glucosa. La tomografía de emisión de positrones (TEP) y la resonancia magnética funcional (RMF) detectan cambios en el flujo sanguíneo. Los registros se realizan en escáneres cerebrales especiales. Actualmente también existe un método para estudiar los efectos de una alteración temporal del cerebro: una técnica denominada estimulación magnética transcraneana (EMT).

Cuando se activa una determinada configuración de neuronas, estas requieren que fluya hacia ellas una mayor cantidad de sangre para reabastecer su suministro de oxígeno y glucosa, de los que dependen para conseguir energía. Esta provisión regular de energía es crucial para la función normal del cerebro, que utiliza una quinta parte de toda la energía consumida por el cuerpo. El estrecho acoplamiento entre la actividad neuronal y el metabolismo asociado del oxígeno y la glucosa, y por tanto el flujo sanguíneo, es el principio que subyace a dos de las técnicas de imágenes cerebrales más ampliamente utilizadas: TEP y RMF.

Esta información se utiliza para hacer películas en las que se observa el cambio en la actividad de las neuronas a medida que los sujetos de investigación observan o escuchan determinados estímulos y realizan otras acciones, como, por ejemplo: responder preguntas o pulsar botones.

La tomografía de emisión de positrones (TEP) mide el volumen y la ubicación del flujo sanguíneo en el cerebro. Por lo común, se lleva a cabo inyectando cantidades muy pequeñas de una sustancia química marcada radiactivamente (denominada ‘indicador’) en el torrente sanguíneo del individuo, el cual transporta el indicador por todo el cuerpo. De esta manera, es posible seguir al indicador a medida que fluye en la sangre por el cerebro y emite positrones. Se le rodea la cabeza de la persona con una cámara especial detectora de radiaciones y así se miden los lugares de su cerebro donde se localizan los positrones emitidos por el indicador, así como la sangre.

Por otro lado, en un proceso denominado ‘tomografía computarizada’, ordenadores de gran potencia utilizan datos de TEP para generar una imagen tridimensional multicolor que muestra las regiones cerebrales en las que aumenta más el flujo sanguíneo. Aunque los estudios de TEP han proporcionado información enormemente importante, el método requiere cantidades diminutas de sustancias radiactivas. La TEP está siendo sustituida cada vez más por otras técnicas de neuroimágenes, especialmente la resonancia magnética funcional (RMF), que no incluyen inyecciones de sustancias radiactivas.

Las imágenes de resonancia magnética (IRM) utilizan un campo magnético de gran intensidad para producir imágenes tridimensionales de alta definición de estructuras cerebrales sin inyectar indicadores radiactivos. Un gran imán cilíndrico ubicado alrededor de la cabeza de la persona crea un campo magnético, a través del cual se envía un impulso magnético. Distintas estructuras cerebrales tienen propiedades magnéticas distintas, que aparecen diferenciadas en la IRM. No se aprecian igual las imágenes de la sustancia blanca, sustancia gris, los vasos sanguíneos, los fluidos y los huesos.

Las señales procedentes de las diferentes estructuras son registradas a través de los sensores colocados dentro del escáner y esta información le permite al computador configurar una imagen. Mediante la IRM, los neurocientíficos pueden representar con gran detalle anatómico las estructuras cerebrales tanto de la superficie como de niveles profundos. Parece una fotografía de rayos X, pero más compleja, con más detalles en colores, que permite apreciar y diferenciar las distintas áreas cerebrales.

En los últimos veinte años, se han desarrollado técnicas que permiten a los neurocientíficos usar IRM para representar imágenes del cerebro en funcionamiento. Esto se conoce como resonancia magnética funcional (RMF). Cuando las neuronas están muy activas y dinámicas, necesitan que a través de la sangre les llegue una adecuada provisión de oxígeno. Este oxígeno de la sangre es detectado por el escáner de RMF, debido a que el oxígeno tiene propiedades magnéticas. Igual que la TEP mide la cantidad de sangre que fluye a regiones concretas del cerebro, la RMF mide la cantidad de agua oxigenada que es enviada a regiones cerebrales específicas. Esta información se utiliza para hacer películas en las que se observa el cambio en la actividad de las neuronas a medida que los sujetos de investigación observan o escuchan determinados estímulos y realizan otras acciones, como, por ejemplo: responder preguntas o pulsar botones.

La estimulación magnética transcraneana (EMT) es una técnica en la que se utiliza una bobina magnética, colocada encima del cuero cabelludo, para estimular configuraciones de neuronas en una región cerebral limitada y provocar trastornos temporales de la función mediante impulsos muy débiles. Por medio de la EMT, se puede estimular y alterar de manera temporal una parte determinada del cerebro, para investigar su funcionamiento e indagar qué sucede con la conducta en ese instante. Esta técnica permite a los investigadores develar la región cerebral necesaria para desarrollar una determinada tarea. En el caso de que una persona pueda ejecutar una determinada tarea, a pesar de que algunas regiones cerebrales estén alteradas o bloqueadas, esto indica que esa región específica no es esencial para la ejecución de dicha tarea.

Como se aprecia, las neuroimágenes funcionales son una herramienta útil para investigar los patrones de activación cerebral vinculados a la función ejecutiva. Las técnicas de RMF permiten obtener imágenes del cerebro humano en funcionamiento en tiempo real. Es un método no invasivo y seguro para explorar la función cerebral. Por ejemplo, la tomografía axial computarizada y la imagen por resonancia magnética nos permiten contemplar la estructura interna del cerebro, detectar malformaciones, tumores o daños causados por una hemorragia cerebral. Incluso pueden emplearse estas técnicas para estudiar las funciones y habilidades mentales.

En 1997, se llevó a cabo un estudio de RMF sobre el desarrollo neural de funciones ejecutivas durante la adolescencia. Los neurocientíficos utilizaron una versión de la denominada tarea “permitido/prohibido”, que implica inhibir una respuesta cuando se presenta determinado estímulo. En el estudio, se les mostraba a los sujetos de investigación una serie de letras y se les decía que pulsaran un botón cada vez que vieran una letra, excepto si veían la equis (X). En este caso, el estímulo “prohibido” era pulsar la letra X. Los participantes debían abstenerse de pulsar algún botón si veían la letra X. Esta tarea requiere una acción ejecutiva: la orden para inhibir una respuesta habitual.

Para llevar a cabo este estudio, se conformaron dos grupos: uno de varios niños entre 7 y 12 años de edad y otro de adultos jóvenes entre 21 y 24 años de edad. Los resultados revelaron que, tanto en los niños como en los adultos, durante la tarea que requería inhibir la respuesta normal estaban activadas varias regiones de la corteza frontal. Mientras que la localización de la activación era esencialmente la misma en ambos grupos de edad, había más activación en los niños que en los adultos. Esta mayor actividad en el cerebro de los niños se detectaba en la corteza prefrontal, la parte de la corteza frontal que se halla inmediatamente detrás de la frente. En cambio, los adultos mostraban más actividad en una región distinta, inferior, de la corteza prefrontal. La activación de la parte superior de la corteza prefrontal guardaba una correlación negativa con la precisión en la tarea: los participantes que exhibían una mejor ejecución tenían los niveles menores de activación prefrontal. Es decir, las personas que conseguían recordar que no debían responder a la letra X en la tarea permitido/prohibido. Se observó el patrón opuesto en una región inferior de la corteza prefrontal, en la cual la activación aumentaba con la mejora del rendimiento en la tarea.

El cerebro humano se puede estudiar de manera anatómica o de manera funcional (mente humana). De hecho, sus estructuras físicas se han descubierto investigando con cadáveres o durante operaciones quirúrgicas o con preparaciones histológicas, como lo hacía Santiago Ramón y Cajal. De ahí que las tecnologías de la imagen constituyen un gran avance en la investigación neurocientífica. Los equipos que permiten captar este tipo de información son cada vez más sofisticados y permiten obtener imágenes de mayor resolución, por lo que va aumentando la calidad de la información que refleja la actividad del cerebro en funcionamiento. Es evidente que los equipos que permiten la obtención de neuroimágenes funcionales constituyen un avance muy significativo en el estudio científico del cerebro humano, debido a la posibilidad de obtener imágenes de las zonas que se activan en el cerebro cuando el sujeto analizado realiza ciertas actividades.

Un detalle importante a tener en cuenta en este tipo de investigación es que las zonas que se activan en el cerebro cuando el sujeto realiza determinadas acciones o cuando está sometido a ciertos efectos son las mismas que cuando lo recuerda, lo contempla o lo imagina. Esto permite dos cosas maravillosas: por un lado, permite hacer investigaciones con personas, en cuyo desempeño es muy difícil obtener las neuroimágenes, como, por ejemplo, una clase con seres humanos en acción; y, por otro lado, permite modificar y reconfigurar nuestro cerebro a través del recuerdo, la contemplación o la imaginación. Está comprobado que la oración y la meditación generan en nuestras configuraciones neuronales el mismo efecto que las acciones praxiológicas.

Mediante el empleo de RMF, se han generado mapas correspondientes a diversos tipos de actividad y funciones neuromentales, como, por ejemplo:

  • Capacidad de discriminar, categorizar y recordar palabras, capacidad de recordar lugares, habilidad de reconocer caras.
  • Función auditiva (tonos, música, sonidos naturales, percepción estereofónica, localización del sonido, diferenciación de fondo).
  • Función lingüística: lenguaje expresivo (capacidad de hablar), lenguaje receptivo (comprensión).
  • Función motora (mano, pie, boca, ojos, cara).
  • Función sensorial (dolor, sensibilidad superficial, sensación térmica, sensibilidad profunda, reconocimiento de formas por el tacto, vibración, gusto, olfato).
  • Función visual (luz destellante, formas, colores, movimiento, formas complejas).
  • Funciones relacionadas con la memoria de trabajo (reciente, de corto plazo).
  • Habilidad de hacer operaciones matemáticas.
  • Habilidades para cambiar el foco de atención o inhibir una respuesta automática.

Como hemos podido observar, a través de múltiples experiencias del estudio de estimulaciones y de los cambios generados por las lesiones, se han ido descubriendo las zonas, áreas o configuraciones donde se generan las distintas facultades y habilidades mentales. La mayoría de neurocientíficos aceptan que el hemisferio izquierdo del cerebro es el lingüístico y matemático, que las áreas límbicas son afectivo-emocionales y que el lóbulo occipital es el responsable de generar la visión. También coinciden en que existe una estrecha relación entre el cerebro y los genes. Parece que el cerebro es una configuración biogenética. 


[1] Docente de planta de tiempo completo de la Universidad del Magdalena, Santa Marta, Colombia. Doctor en Ciencias Pedagógicas (Ph. D.). Universidad Pedagógica de Holguín, Cuba. Doctor honoris causa en Iberoamérica, Consejo Iberoamericano en Honor a la Calidad Educativa (CIHCE), Lima, Perú. Magíster en Gestión Educativa en Iberoamérica, CIHCE, Lima, Perú. Magíster en Pedagogía Profesional, Universidad Pedagógica y Tecnológica de La Habana. Recibió el Premio a la Excelencia Educativa 2007 y 2008 otorgado por el CIHCE con sede en Lima, Perú. Mejor pedagogo novel de Cuba en el año 2002. Ha publicado más de 40 libros sobre pedagogía, currículo, didáctica, epistemología y metodología de la investigación. Ha realizado asesorías pedagógicas, talleres y conferencias en Cuba, Colombia, México, Brasil, Ecuador, Venezuela, Chile, Paraguay, España y Panamá, así como en múltiples instituciones educativas y universidades de Colombia. Email: alexanderortiz5000@gmail.com

Doctor en Ciencias Pedagógicas, Universidad Pedagógica de Holguín, Cuba. Doctor Honoris Causa en Iberoamérica, Consejo Iberoamericano en Honor a la Calidad Educativa (CIHCE), Lima. Perú. Magíster en Gestión Educativa en Iberoamérica, CIHCE, Lima, Perú. Magíster en Pedagogía Profesional, Universidad Pedagógica y Tecnológica de la Habana. Licenciado en Educación. Docente de planta de tiempo completo de la Universidad del Magdalena, Santa Marta, Colombia. Director del grupo de investigación GIEDU: Infancia y Educación (Categoría A1 en Colciencias). Investigador Senior de Colciencias. Investigador de la línea de investigación Pedagogía e Interculturalidad del Doctorado en Ciencias de la Educación de la Universidad del Magdalena y RUDECOLOMBIA. Conocedor de la realidad educativa colombiana, país en el que reside desde hace dos décadas. Conferencista, consultor y asesor pedagógico en varias universidades de Latinoamérica (Cuba, Brasil, México, Venezuela, Panamá, Chile, Paraguay, Ecuador, Colombia). Ha publicado más de 40 libros sobre pedagogía, currículo, didáctica, pedagogía del amor, didáctica problematizadora, modelos pedagógicos, lúdica, estrategias pedagógicas, Innovación Organizacional, dinámicas de grupo, modelos pedagógicos, docencia universitaria, epistemología de las ciencias humanas y sociales, metodología de la investigación educativa, Decolonialidad de la Educación, entre otros. Ha participado en múltiples congresos nacionales e internacionales, tales como los congresos Pedagogía 2001 y 2003; el evento internacional “Creatividad y Sociedad”; la III Cumbre Iberoamericana de Educación, Panamá 2007; el Congreso Internacional de Evaluación, México 2014; y el Congreso Internacional de Educación Infantil, Paraguay 2016. Recibió el premio a la excelencia educativa 2007 y 2008 otorgado por el CIHCE con sede en Lima, Perú. Mejor pedagogo novel de Cuba en el año 2002. Youtube: profesoralexander alexortizo.blogspot.com orcid.org/0000-0001-5594-9422 Scopus Author ID: 57191888741 ResearcherID: F-6232-2017

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