La tractografía es un procedimiento que utiliza imágenes de resonancia magnética (MRI) procesadas computacionalmente para obtener imágenes de los tractos neuronales y determinar que áreas del cerebro están conectadas entre sí. A su vez, es capaz de mostrar alteraciones asociadas con diferentes afecciones, como malformaciones congénitas, afección isquémica y enfermedades desmielinizantes, así como también ayuda a comprender déficits funcionales, asociativos y de aprendizaje, como el TDAH o déficit de atención. Es de gran utilidad para los neurocirujanos, permitiendo comprobar los tractos afectados por un tumor, respetando el mayor número de tractos indemnes durante la cirugía.
Los tractos neuronales son conjuntos de haces de fibras que discurren por el sistema nervioso central y son considerados como unidades funcionales, ya que se originan en un mismo núcleo y terminan en un área común. Además de los largos tractos neuronales que conectan el cerebro con el resto del cuerpo, existe una complicada red tridimensional formada por conexiones a corta distancia entre las diferentes áreas corticales y subcorticales del encéfalo. Esta red ha sido observada mediante técnicas biológicas en especímenes post-mortem, pero no son identificables directamente mediante MRI. Sin embargo, una técnica derivada, conocida como secuencia de tensor de difusión (DT-MRI o DTI), permite determinar la arquitectura de los tejidos del cerebro mediante el estudio de la difusión de las moléculas de agua en el mismo.
Las imágenes MRI son obtenidas a partir del fenómeno de resonancia magnética nuclear (NMR) que utiliza campos magnéticos para alinear la magnetización de los núcleos de hidrógeno del agua en los tejidos. La NMR es un fenómeno físico basado en las propiedades mecánico-cuánticas de los núcleos atómicos. Para el hidrógeno, el estado fundamental n=1 tiene un número cuántico orbital l=0, un número cuántico magnético ml=0 y dos estados de espín ms = ½ y ms = -½, ambos con la misma energía. En equilibrio térmico, las poblaciones de estos dos estados son las mismas. Sin embargo, bajo un campo magnético aplicado, la población del estado de menor energía (habitualmente m = ½) se verá incrementada ligeramente (aproximadamente un 1%). Una vez creado este gradiente de población, aplicando otro campo electromagnético de una determinada frecuencia, habitualmente en el rango de la RF, estos átomos absorberán un fotón de energía. Cuando este campo adicional deja de aplicarse, los fotones absorbidos son liberados y captados por un detector. Aplicado sobre esta señal la transformada de Fourier se creará una imagen en la que se identifica el lugar de procedencia de las emisiones.
A partir de la técnica básica de MRI, se implementó el uso de secuencias de pulsos y gradientes de campo pulsado (PFG), las cuales implican pulsos electromagnéticos de corta duración con intensidad dependiente de la localización. Existen diferentes configuraciones de pulsos que dan lugar a diferentes tipos de imágenes MRI. En tractografía se aplica secuencia de tensor de difusión (DTI), la cual es un tipo particular de la familia de pulsos de gradiente de difusión (DW-MRI o DWI). Esta técnica permite obtener imágenes de la difusión de las moléculas de agua, generando un mapa del proceso de difusión en los tejidos biológicos. Muestra la interacción de las moléculas con los obstáculos que encuentran, revelando detalles microscópicos de la arquitectura de los tejidos. La intensidad de cada elemento de la imagen refleja el ritmo de difusión del agua en una determinada localización. Esta técnica es importante en tejidos con una estructura anisótropa, en los que las moléculas de agua se difunden más rápidamente en la dirección paralela a las fibras del tejido y más lentamente en la dirección perpendicular.
El fenómeno de difusión consiste en el desplazamiento de las partículas resultante de los movimientos térmicos aleatorios de las moléculas (movimiento browniano), a favor del gradiente de concentración en un disolvente, sin aporte energético y tendente a una distribución homogénea. En el caso que nos interesa, la difusión de las moléculas de agua en el cerebro, no existe un gradiente de concentración, de modo que la difusión tiene lugar exclusivamente debido a un gradiente térmico. Por otro lado, encontramos que el líquido cefalorraquídeo no tiene restricciones direccionales específicas, de modo que la difusión es esférica o isótropa. Sin embargo, en la materia blanca, donde aparecen estructuras de tejido bien organizadas, tales como las fibras neuronales y las vainas de mielina de los axones, la difusión es elipsoidal o anisótropa. Ello se debe a que dichas estructuras oponen una barrera a la difusión perpendicular, creando una ruta en el sentido de la orientación de las fibras, de modo que las moléculas de agua son guiadas a lo largo de la dirección de los tractos neuronales, dando lugar a un proceso de difusión anisotrópico. De hecho, en áreas donde los axones están altamente ordenados, la difusión anisótropa se verá incrementada. Las secuencias de MRI de los tractos de fibras neuronales muestran dicha distribución anisotrópica, existiendo una relación directa entre el número de fibras y el grado de anisotropía. De este modo, es posible determinar la dirección del tracto neuronal mediante algoritmos que procesan vectores multidimensionales basados en seis o más direcciones del gradiente, determinando el tensor de difusión (TD). La dirección principal del tensor de difusión se emplea para inferir la conectividad de la materia blanca en el cerebro, asumiendo que la difusión es lineal y homogénea dentro de cada voxel (pixel tridimensional).
A partir del TD se obtiene computacionalmente el grado de anisotropía, el cual se cuantifica mediante un factor llamado anisotropía fraccional(FA). Este viene a ser la relación entre las magnitudes de cada componente del TD, determinando la elongación del elipsoide tridimensional de difusión. El caso isotrópico perfecto de difusión esférica corresponde a una FA igual a 0 (las componentes son idénticas y el elipsoide sería una esfera), mientras que una FA=1 indica difusión lineal ideal (el tensor de difusión tiene solo un componente con valor distinto de cero). Los tractos bien definidos tienen una FA mayor que 0,2 y hay pocas regiones con una FA mayor de 0,9. De este modo, a partir del tamaño, forma, orientación y distribución de los elipsoides de difusión, podemos definir las características de la difusión del agua en cada voxel. La orientación del componente longitudinal mayor del tensor de difusión o del elipsoide representa la orientación dominante del tracto axonal. Se obtiene, por tanto, un campo vectorial tridimensional en el cual cada vector representa la orientación de las fibras.
Para obtener las trayectorias neuronales a partir de la orientación del elipsoide se emplean en general dos tipos de algoritmo, conocidos como el modelo determinista y el modelo probabilista. Los algoritmos deterministas dependen fundamentalmente de dos parámetros: un valor mínimo de FA para la propagación de las lineas en un voxel; y una curvatura máxima entre voxels. Este tipo de algoritmo representa solo conexiones punto a punto y no permite ramificaciones. Además, el fijar un FA mínimo produce la terminación abrupta de una trayectoria. Por su parte, los algoritmos probabilísticos permiten considerar estas vías, representado la incertidumbre en la estimación de la dirección de la fibra. Como inconveniente, dan lugar a trayectorias inesperadas que requieren del conocimiento anatómico para determinar cuales son relevantes.
Las imágenes generadas a partir de los datos representan la evolución del tracto en el volumen. Para su representación bidimensional en los llamados mapas anisotrópicos se emplea un código mediante los colores básicos (rojo, verde y azul). Por convenio, el rojo indica direcciones en el eje X, el verde indica direcciones en el eje Y, y el azul indica direcciones en el eje Z. Las direcciones entre los ejes se representan mediante la combinación de los colores básicos.
La tractografía tiene limitaciones provenientes de diferentes factores. En primer lugar, ciertas patologías reducen la anisotropía en zonas de materia blanca o la aumentan en zonas de materia gris, llevando a un análisis erróneo de las estructuras adyacentes. Así mismo, el ruido electromagnético, el posible movimiento del sujeto o la propia resolución del equipo, son factores limitantes. Pero quizá la limitación más importante es su falta de validación, donde fundamentalmente se comparan las imágenes con el conocimiento anatómico.
