FISIOLOGÍA

ELECTROFISIOLOGÍA

El electrocito, (órgano eléctrico, electroplaca) es un órgano miogénico común a todos los pez gato¹​ usado para generar un campo eléctrico.


Raya eléctrica (pez torpedo) mostrando la localización del órgano eléctrico y los electrocitos apilados.

Electrocitos[editar]

El electrocito es una célula usada por la raya eléctrica(Torpediniformes), Electrophorus electricus (anguila eléctrica) y otros pez gato para electrogénesis y electrorrecepción.³​ Son células en forma de discos que están dispuestas en una secuencia de manera similar a una batería eléctrica. Pueden tener miles de esas células, produciendo cada una 0,15 V. Las células funcionan por bombeo positivo de iones sodio y potasio fuera de la célula, vía transporte de proteínas potenciado por adenosín trifosfato.⁴​ Los electrocitos postsinápticamente, trabajan como un tejido muscular. Tienen receptor nicotínico acetilcolina. Y estas estructuras celulares se usan en estudios debido a su parecido con las uniones nervio-musculares.

Disparo o descarga[editar]

Para descargar los electrocitos en el momento correcto, la anguila eléctrica usa su núcleo disparador, un núcleode neuronas. Cuando la anguila encierra a su presa, las neuronas disparan y la acetilcolina subsecuentemente emitida de las neurona electromotor a los electrocitos, resultan en una descarga del órgano eléctrico.⁵​

Localización[editar]

En las Torpediniformes eléctricas (raya torpedo), las electroplacas se encuentran cerca de los músculos pectorales y de las branquias. En todos los demás peces, están cerca de la cola. En un género, Malapterurus(pez gato), los órganos eléctricos no están hechos de electroplacas individuales, sino producidos por cargas en el epitelio, específicamente en la piel.

Descarga del órgano eléctrico[editar]

La descarga del órgano eléctrico (DOE) es generada por los órganos de animales como los peces gato.⁶​ En algunos casos la descarga es fuerte y usada para protección de predadores; en otros casos es débil y la usan para navegación y comunicación.

El maravilloso poder del pez eléctrico se conocía incluso antes del descubrimiento científico de la electricidad. De hecho, en  la Época Romana ya se tenían conocimientos prácticos gracias a múltiples experiencias con estos animales, y prueba de esto son los numerosos registros que aparecieron sobre electroterapia, en los que animaban al uso terapéutico de las descargas de la raya eléctrica.

La capacidad  de producir electricidad es una herramienta animal que sirve no solo paraaturdir a presas o defenderse de los depredadores, sino que también es utilizada  para la navegación y la comunicación, generalmente en aguas turbias o en ambientes nocturnos. Un buen ejemplo son algunos peces  tropicales de agua dulce que pueden llegar a construir una imagen de su mundo que no depende de la vista, el oído, el olfato o el tacto.

Ya sea para un fin u otro, todos los peces que poseen esta habilidad lo hacen gracias a un órgano que contiene células eléctricamente excitables  llamadas ‘electrocitos‘. Los electrocitos son esencialmente células musculares que han perdido la capacidad de contracción y que por sí solas  producen muy poca electricidad, por eso, para que se produzca una gran tensión,  debe haber muchas de estas células dispuestas en serie dentro del órgano que son capaces de reaccionar simultáneamente comportándose de forma análoga a una batería (sumándose los potenciales generados de cada electrocito)

Una cara de estas células está cargada positivamente (le faltan electrones) y la otra cara lo está negativamente (le sobran). En reposo, existe un espacio que evita que los  electrones salten de una cara a otra pero cuando el animal quiere producir la descarga se libera una sustancia conductora que permite que los electrones circulen de los lugares donde están abarrotados, a donde faltan, formando así una corriente eléctrica.

En los peces fuertemente eléctricos, tales como la anguila, pez gato … este órgano  es de gran tamaño y contiene numerosos electrocitos. El voltaje de la descarga puede llegar a superar los 600 voltios. En los peces débilmente eléctricos, que utilizan la electricidad generalmente para la navegación y la comunicación, el voltaje de la descarga es mucho menor, a menudo menos de un voltio.

Muchos de estos animales además de producir  electricidad, también la sienten gracias a un órgano  muy sensible incrustado en la piel llamado electrorreceptores capaces de detectar ligeros cambios en el campo eléctrico producidos por objetos cercanos.  Por lo tanto, se podría decir que  “ven” los objetos en un ambiente donde la visión es muchas veces inútil. Este proceso se llama “electrolocalización activa” porque el origen de la electricidad que utilizan para electrolocalización es su propio órgano eléctrico (similar al sistema de orientación por ultrasonidos de los murciélagos)

Algunos peces como el tiburón no pueden producir descargas pero sí sentir la electricidad emitida por sus presas, incluso la más débil, llegando a encontrar animales enterrados a más de 30 cm de profundidad (electrolocalización pasiva).

Igual que  cada estación de radio tiene su propia frecuencia de emisión, cada individuo tiene su propia frecuencia de descarga. Así que en el caso de que se crucen dos peces con frecuencias de descarga similares, y a fin de evitar que sus órganos eléctricos interfieren entre sí causando problemas, cada uno tiene que cambiar la frecuencias lo suficiente para el funcionamiento normal de la electrolocalización.

La electrocorticografía (ECoG) es la práctica de utilizar electrodos colocados directamente sobre la superficie expuesta del cerebro para registrar la actividad eléctrica de la corteza cerebral. ECoG se realiza ya sea en el quirófano durante la cirugía (ECoG intraoperatoria) o fuera de la cirugía (ECoG extraoperatoria). Debido a que una craneotomía (una incisión quirúrgica en el cráneo) es necesaria para implantar la red de electrodos, ECoG es un procedimiento invasivo. ECoG es actualmente considerado como el sistema estándar para definir las zonas epileptogénica en la práctica clínica.

Historia[editar]

Los neurocirujanos Wilder Penfield y Herbert Jasper fueron los primeros en utilizar ECoG en la década de 1950 en el Instituto Neurológico de Montreal.¹​ Los dos desarrollaron ECoG como parte de su innovador procedimiento en Montreal, un protocolo quirúrgico utilizado para tratar a los pacientes con epilepsia severa. Los potenciales corticales registrados por ECoG se utilizaron para identificar las zonas epileptogénicas - regiones de la corteza que generan las convulsiones. Estas zonas serían extraódas quirúrgicamente de la corteza cerebral durante la resección, removiendo el tejido cerebral donde se había originado las crisis epilépticas. Penfield y Jasper también se utilizaron la estimulación eléctrica durante la sesión de ECoG en los pacientes sometidos a cirugía por epilepsia que tenían anestesia local.²​Este procedimiento fue utilizado para explorar la anatomía funcional del cerebro, excluyendo las áreas del habla, la corteza somatosensorial y somato-motriz para ser extirpadas quirúrgica.

Fundamentos electrofisiológicos[editar]

Las señales de ECoG son compuestas por la sincronización de los potenciales postsinápticos (potenciales locales de campo), grabado directamente desde la superficie expuesta de la corteza. Los potenciales se presentan principalmente en las células piramidales corticales, por lo tanto debe pasar a través de diversas capas de la corteza cerebral, líquido cefalorraquídeo (LCR), piamadre y aracnoides antes de llegar a los electrodos subdurales localizados justo debajo de la duramadre (membrana externa del cráneo) . Sin embargo, para llegar a los electrodos del pericraneo de un electroencefalograma (EEG), las señales eléctricas también debe llevarse a cabo a través del cráneo, donde los potenciales se atenúan rápidamente debido a la baja conductividad de los huesos. Por esta razón, la resolución espacial de ECoG es mucho mayor que el EEG, una ventaja de imagen crítica para la planificación prequirúrgica.³​ ECoG ofrece una resolución temporal de aproximadamente 5 ms y una resolución espacial de 1 cm.⁴​

Utilizando electrodos de profundidad, el potencial del campo local da una medida de una población neuronal en una esfera con un radio de 0,5 a 3 mm alrededor de la punta del electrodo. Con una frecuencia de muestreo suficientemente alta (más de 10 kHz),⁵​ los electrodos de profundidad también puede medir los potenciales de acción.⁶​ En cuyo caso la resolución espacial se debe a las neuronas individuales, y el campo de visión de un electrodo individual es de aproximadamente 0,05-0,35 mm.

Procedimiento[editar]

El registro del ECoG se realiza mediante electrodos colocados en la corteza expuesta. Para acceder a la corteza, un cirujano debe realizar una craneotomía, la eliminación de una parte del cráneo para exponer la superficie del cerebro. Este procedimiento se puede realizar con anestesia general o bajo anestesia local, si la interacción del paciente es necesaria para el mapeo cortical funcional. Los electrodos son entonces implantados quirúrgicamente en la superficie de la corteza, con la colocación guiada por los resultados del EEG preoperatorio y la resonancia magnética (RM). Los electrodos pueden ser colocados fuera de la duramadre (epidural) o bajo la duramadre (subdural). Las matrices de electrodos del ECoG consisten normalmente de dieciséis electrodos de acero inoxidable, punta de carbón, platino, oro o de balón, cada uno montado en una articulación de rótula para facilitar el posicionamiento. Estos electrodos se conectan a una red en forma de corona o de halo.⁷​ Los electrodos de tira subdural y red también son ampliamente utilizados en diversas dimensiones, que tiene entre 4 y 64 contactos de electrodos. Las redes son transparentes, flexibles y numeradas en cada contacto de electrodos. El espaciado estándar entre los electrodos red es de 1 cm; los electrodos individuales son típicamente de 5 mm de diámetro. Los electrodos se colocan ligeramente en la superficie cortical, y están diseñadas con la flexibilidad suficiente para garantizar que los movimientos normales del cerebro no causan daño. Una ventaja clave de los tipos de organización de electrodos de franja y red es que pueden ser deslizados por debajo de la duramadre en las regiones corticales que no están expuestas por la craneotomía. La franja de electrodos y colocación de electrodos en forma de corona se puede utilizar en cualquier combinación deseada. Los electrodos de profundidad también se puede usar para registrar la actividad de las estructuras más profundas como el hipocampo.

Estimulación Cortical Eléctrica Directa (DCES)[editar]

La Estimulación Cortical Eléctrica Directa (DCES) es frecuentemente realizada en concurrencia con la grabación del ECoG para mapeo funcional de la corteza y la identificación de las estructuras corticales críticas. Cuando se utiliza una configuración de corona, se pueden estimular remotamente los electrodos. Sin embargo, cuando se utiliza una franja subdural, el estímulo debe ser aplicado entre los pares de electrodos adyacentes, debido al material no conductor que conecta a los electrodos en la red. Las corrientes de estimulación eléctrica aplicada a la corteza son relativamente bajas, entre 2 a 4 mA para la estimulación somatosensorial, y cerca de 15 mA para la estimulación cognitiva. Las funciones más comunes asignadas a través de DCE son el de las funciones motoras y sensoriales primarias y el idioma. El paciente debe estar alerta e interactivo para los procedimientos de mapeo, aunque la participación del paciente varía con cada procedimiento. El mapeo del lenguaje puede incluir nombres, lectura en voz alta, repetición y comprensión oral, el mapeo somatosensorial requiere que el paciente describa las sensaciones experimentadas en la cara y las extremidades, a medida de que el cirujano estimule las diferentes regiones corticales.

Aplicaciones clínicas[editar]

Desde su desarrollo en la década de 1950, ECoG se ha utilizado para localizar zonas epileptogénicas durante la planificación prequirúrgica, un mapa de las funciones corticales, y para predecir el éxito de la resección quirúrgica de epilepsia. ECoG ofrece varias ventajas sobre las modalidades alternativas de diagnóstico:

• Flexibilidad en la colocación de electrodos de registro y estimulación

• Se puede realizar en cualquier momento antes, durante y después de una cirugía

• Permite la estimulación eléctrica directa al cerebro, haciendo posible la identificación de regiones críticas de la corteza cerebral que deben evitar ser tocadas durante la cirugía

• Mayor precisión y sensibilidad que un EEG - la resolución espacial es mayor y la relación señal/ruido es superior debido a su mayor proximidad a la actividad neuronal

Las limitaciones de la ECoG incluyen:

• Limitado tiempo de muestreo - por lo tanto las convulsiones (eventos ictales) puede que no se registren durante el período de grabación del ECoG

• Se limita el campo de visión - la colocación de los electrodos está limitado por el área de la corteza expuesta y el tiempo de la cirugía, por lo cual puede producir errores de muestreo

• La grabación está sujeta a la influencia de los anestésicos, analgésicos y la cirugía en sí

Epilepsia intratable[editar]

La epilepsia es actualmente clasificado como el tercer trastorno neurológico más comúnmente diagnosticado, que afecta aproximadamente a 2,5 millones de personas en los Estados Unidos.⁸​ Las crisis epilépticas son crónicas y ajenas a cualquier causa que pueda ser tratada inmediatamente, como las toxinas o enfermedades infecciosas, y pueden variar considerablemente dependiendo de la etiología, los síntomas clínicos y el lugar de origen en el cerebro. Para los pacientes con epilepsia intratable - epilepsia que no responde a los anticonvulsivantes - el tratamiento quirúrgico puede ser una opción de tratamiento viable.

ECoG extraoperatorio

Antes de que un paciente pueda ser identificado como un candidato para la cirugía de resección, la IRM (Imagen por resonancia magnética) se debe realizar para demostrar la presencia de una lesión estructural en la corteza, apoyada por la evidencia del EEG del tejido epileptógeno.⁹​¹⁰​ Una vez que una lesión ha sido identificada, ECoG se puede realizar para determinar la ubicación, el alcance de la lesión y la región circundante irritativos. El EEG, mientras que es una herramienta de diagnóstico valiosa, carece de la precisión necesaria para localizar la región epileptógena. ECoG se considera el estándar para la evaluación de la actividad neuronal en los pacientes con epilepsia, y es ampliamente utilizado en la planificación prequirúrgica para guiar la resección de la lesión y la zona epileptógena. El éxito de la cirugía depende de la localización exacta y la eliminación de la zona epileptogénica. Los datos del ECoG se evalúa con respecto a la actividad ictal pico - "onda rápida de actividad difusa", grabado durante una crisis - y la actividad epileptiforme interictal (AIE), que son breves estallidos de actividad neuronal registrado entre los eventos epilépticos. ECoG también se realiza después de la cirugía de resección para detectar cualquier actividad epileptiforme restante, y para determinar el éxito de la cirugía. La actividad alta en el ECoG, sin ser modificada por la resección, indican poco control de las convulsiones y la neutralización incompleta de la zona cortical epileptógena. Más cirugías pueden ser necesarias para erradicar completamente la actividad convulsiva.

ECoG intraoperatoria

El objetivo de la cirugía de resección es remover el tejido epileptogénico sin causar consecuencias neurológicas inaceptables. Además de la identificación y localización de la extensión de las zonas epileptogénica, utilizar el ECoG junto con la Estimulación Cortical Eléctrica Directa es una valiosa herramienta para el mapeo cortical funcional. Es de vital importancia para localizar con precisión las estructuras críticas del cerebro, identificando las partes que el cirujano debe dejar intactas en las resecciones (la corteza elocuente) con el fin de preservar el procesamiento sensorial, la coordinación motora y del habla. Para un mapeo funcional se requiere que el paciente sea capaz de interactuar con el cirujano, por lo que se realiza bajo anestesia local en lugar de anestesia general. La estimulación eléctrica con electrodos de profundidad cortical y agudo se usa para probar las distintas regiones de la corteza con el fin de identificar los centros del habla, la integración somato-sensorial y el procesamiento somato-motriz. Durante la cirugía de resección, ECoG intraoperatorio también se puede realizar para controlar la actividad epiléptica de los tejidos y garantizar que la zona epileptogénica sea reseccionada. Aunque el uso de ECoG extraoperatorio e intraoperatorio en cirugía de resección ha sido una práctica clínica aceptada por varias décadas, los estudios recientes han demostrado que la utilidad de esta técnica puede variar basado en el tipo de epilepsia un paciente presenta. Kuruvilla y Flink informó que si bien ECoG intraoperatorio juega un papel crítico en la lobectomías temporales, en múltiples transecciones sub-pial (MST), y en la eliminación de las malformaciones del desarrollo cortical (MCD), se ha encontrado poco práctico en la resección estándar del lóbulo temporal medial epilepsia (ELT) con pruebas de la esclerosis mesial temporal (MTS). Un estudio realizado por Wennberg, Quesney, y Rasmussen demostró la importancia de ECoG prequirúrgico en los casos de epilepsia en el lóbulo frontal (FLE).¹¹​

Aplicaciones en el campo de investigación[editar]

ECoG ha surgido recientemente como una técnica de grabación prometedores para su uso en la Interfaz Cerebro Computadora (BCI). BCI son interfaces neuronales directas que proporcionan el control de la prótesis o dispositivos electrónicos o de comunicación utilizando señales directas del cerebro de la persona. Las señales del cerebro se pueden registrar como invasivas, con dispositivos de grabación implantados directamente en la corteza, o no invasiva, utilizando electrodos de EEG en el pericráneo. ECoG sirve para proporcionar una solución de parcialmente invasiva entre las dos modalidades - mientras que ECoG no penetra la barrera hematoencefálica, como dispositivos de grabación invasiva, que cuenta con una mayor resolución espacial y una mayor relación señal-ruido que el EEG. Un estudio reciente de Shenoy et al. demuestra el alto potencial de movimiento con precisión de BCIS basados en ECoG.

Avances recientes en la tecnología ECoG[editar]

El electrocorticograma sigue siendo considerado como el estándar para la definición de zonas epileptogénico, sin embargo, este procedimiento es arriesgado y altamente invasivo. Estudios recientes han explorado el desarrollo de una técnica de imagen cortical no invasiva para la planificación prequirúrgica que puede proporcionar información similar y la misma resolución que la ECoG invasiva.

En un enfoque novedoso, Bin He et al.¹²​ trata de integrar la información proporcionada por un RM estructural y un EEG del pericráneo para proporcionar una alternativa no invasiva para ECoG. Este estudio investigó un enfoque de localización de un subespacio de alta resolución, FINE (principio de vectores primarios), para poder ver y tener un estimado del grado de extensión utilizando el EEG pericráneal como fuente. Una técnica de umbralización se aplicó a la tomografía que resultó de los valores de correlación del subespacio con el fin de identificar la fuente epileptogénica. Este método ha sido probado en tres pacientes pediátricos con epilepsia intratable, con resultados alentadores. Cada paciente fue evaluado mediante una RM estructural, monitorización de vídeo EEG a largo plazo con los electrodos en el pericráneo y posteriormente, con electrodos subdurales. Los datos del ECoG se registraron de las redes de electrodos subdurales implantadas directamente sobre la superficie de la corteza. Las imágenes de RM y las tomografías computarizadas se obtuvieron también para cada paciente.

Las zonas epileptogénicas identificadas a partir de datos de EEG preoperatorios fueron validados por observaciones a partir de datos ECoG postoperatorio en los tres pacientes. Estos resultados preliminares sugieren que es posible dirigir la planificación quirúrgica y localizar las zonas de epileptogénica de una forma no invasiva mediante la proyección de imagen y la integración de los métodos descritos. Los hallazgos del EEG fueron validados por los resultados quirúrgicos de los tres pacientes. Después de la resección quirúrgica, dos pacientes dejaron de tener ataques epilépticos por completo y el tercero ha experimentado una reducción significativa de ataques epilépticos. Debido a su éxito clínico, FINE ofrece una alternativa prometedora a ECoG preoperatorio, proporcionando información tanto sobre la ubicación y extensión de las fuentes epileptógenas a través de un procedimiento de imagen no invasivo.

Electrocorticografía

La electrocorticografía (ECoG) es el registro de la actividad cerebral llevado a cabo directamente sobre la corteza cerebral utilizando electrodos.

Esta tecnica, relativamente invasiva, se ha utilizado en varios procedimientos quirurgicos para el tratamiento de la epilepsia y actualmente se esta testando para que sirva como via de extraccion y analisis de señales cerebrales para el uso de interfaces maquina-hombre que permita a personas con quadriplegia interactuar con el entorno.

Epilepsia

Esta técnica ofrece una oportunidad única para evaluar la epileptogenicidad de las áreas corticales expuestas durante la cirugía, cuya utilidad básicamente radica en la localización de la zona irritativa, mapeo de funciones corticales, y en la predicción de los resultados de la cirugía.

La utilidad del ECoG intraoperatorio durante las resecciones temporales estandarizadas anatómicas es limitada, en tanto el registro intraoperatorio de las estructuras mesiales puede definir la extensión de la resección hipocampal y maximizar los resultados de la evolución posquirúrgica.

La ECoG intraoperatoria permite guiar la resección, mapear zonas elocuentes y determinar la extensión de la zona epileptogénica no visualizada por técnicas de neuroimagen. La relación entre los patrones del ECoG y los tipos histopatológicos de displasia cortical focal (DCF) avalan el extraordinario valor de esta técnica en las malformaciones del desarrollo de la corteza temporal en pacientes con epilepsia del lóbulo temporal con patología dual (Morales, 2008).

Área Motora

Aunque el método estándar para la determinación de la organización funcional cortical en el contexto de la intervención quirúrgica en área motora es la estimulación eléctrica cortical, esta altera la función cortical normal para evocar el movimiento. Dada que esta técnica es imprecisa ya que las respuestas motoras no se limitan a la circunvolución precentral y también puede desencadenar convulsiones, además no siempre es tolerado, y a menudo sin éxito, especialmente en los niños. La electrocorticografía es una alternativa (Wray y col., 2012).