La banca más inteligente: Un banco de cerebros

Fidel Alfaro Almagro

¿Alguna vez has pensado por qué se le hace a una persona un escáner de la cabeza? Lo normal es que tu médico lo solicite cuando juzga que es posible que estés presentando los síntomas de una enfermedad.

Afortunadamente, en muchos casos la imagen de resonancia magnética (MRI por sus siglas en inglés) obtenida en el escáner, una especie de foto que permite ver el interior de nuestra cabeza, no muestra nada fuera de lo normal en nuestro cerebro, momento en el que tu médico buscará alternativas diagnósticas. Sin embargo, en algunos casos, la resonancia muestra que el médico estaba en lo cierto y que desafortunadamente, algo malo pasa por tu cabeza (en el sentido más literal). Esta situación, muy común en nuestros hospitales, conlleva un problema: las imágenes de resonancia magnética de un cerebro que sufre algún tipo de patología son adquiridas, casi en su mayoría, una vez que el paciente muestra los síntomas de la enfermedad. Por tanto, es extremadamente raro disponer de imágenes cerebrales en la fase pre-sintomática de ciertas enfermedades, lo que impide saber las características que presenta un cerebro en estos casos. Esto hace más complicado el tratamiento de la enfermedad y la posibilidad de un diagnóstico temprano.

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Imagen estructural de resonancia magnética cerebral que automáticamente hace este texto más creíble. (Fuente: Wikimedia Commons)

¿Cómo podemos solucionar este problema? Si realizáramos un escáner cerebral a una cantidad suficientemente grande de la población, podríamos predecir por estadística poblacional qué porcentaje de estos individuos sufren algunas enfermedades en su fase temprana o pre-sintomática. Sin embargo, algunas enfermedades son tan poco comunes que la cantidad de individuos a escanear ha de ser enorme para poder hacer un estudio significativo (un estudio típico de MRI cerebral no suele sobrepasar los 100 individuos). Desgraciadamente, los medios necesarios para realizar un proyecto de esta envergadura hacen que sea inviable su desarrollo por parte de una universidad o grupo de investigación de forma individual.

UK Biobank es un proyecto epidemiológico a nivel nacional en el Reino Unido cuyo objetivo es precisamente crear un banco con información biomédica de 500.000 voluntarios de edades comprendidas entre los 40 y los 70 años que se podrá usar para estudiar todo tipo de enfermedades y así facilitar el diagnóstico temprano de las mismas. UK Biobank compila, para cada uno de estos voluntarios, su información genética, medidas del estilo de vida (a través de un extenso cuestionario), muestras biológicas (sangre y orina), y todos los datos médicos de relevancia. Además, una fracción de los voluntarios (100.000) se someterán a un escáner de resonancia magnética cerebral (MRI) y otro cardíaco, convirtiendo este proyecto en el estudio de resonancia magnética cerebral más grande hasta la fecha.

El siguiente video muestra de manera gráfica las especiales características de este proyecto:

En la Universidad de Oxford, el Laboratorio de Imagen Funcional Cerebral por Resonancia Magnética (FMRIB) es el equipo que lidera la sección de MRI cerebral de este gran proyecto. Dada la cantidad de voluntarios a escanear, el diseño del protocolo de adquisición de imágenes ha sido totalmente optimizado para poder adquirir todas las imágenes en solo 30 minutos, lo que permitirá escanear 60 personas al día en 3 centros distintos en el Reino Unido, 7 días a la semana, los 365 días del año.

Las MRIs cerebrales adquiridas incluyen imágenes estructurales (que permiten un alto grado de detalle y contraste para poder identificar estructuras cerebrales como el hipocampo o la amígdala, o calcular medidas como el grosor cortical) imágenes funcionales (que muestran cómo se activan las distintas regiones del cerebro de manera dinámica y sincrónica, tanto al realizar una tarea concreta como en estado de reposo) e imágenes de difusión (que muestran de manera detallada cómo están “cableadas” las diferentes regiones de la corteza cerebral (materia gris) a través de la materia blanca).

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Imagen funcional de Resonancia Magnética cerebral mostrando activación en la corteza visual similar a la que se puede encontrar en un salmón muerto. (Fuente: Wikimedia Commons)

Todas estas imágenes se procesan usando avanzadas herramientas de análisis automático que permiten describir numéricamente el funcionamiento y estructura cerebral. Estos datos se han hecho públicos para los 10,000 primeros voluntarios del proyecto* y suponen un importante recurso para investigadores en todo el mundo. Cada voluntario en UK Biobank está incluido en el NHS (el sistema nacional de salud británico), y por tanto, los científicos que accedan a los datos de este proyecto podrán estudiar las relaciones entre todas las medidas generadas y las diferentes enfermedades con las que será diagnosticado un porcentaje de los participantes.

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Conexiones cerebrales en la materia blanca después de un procesado de imágenes de difusión sin bugs estadísticos. (Fuente: Wikimedia Commons)

Las posibilidades de UK Biobank como recurso para la investigación son enormes y el proyecto es una clara muestra de que el futuro de la investigación biomédica pasa necesariamente por el desarrollo de grandes empresas como ésta, así como la combinación de esfuerzos de grupos multidisciplinares que puedan unir disciplinas aparentemente tan dispares como la medicina, la física o la informática.

Por Fidel Alfaro Almagro, estudiante de doctorado en Neurociencia Clínica, Universidad de Oxford. SRUK Delegación de Oxford.

Más información:

*Nature Neuroscience – Multimodal population brain imaging in the UK Biobank prospective epidemiological study. 2016

BBC – World’s biggest scanning project to track diseases

Scientific American – Massive U.K. Brain-Mapping Project Releases First Results.

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The smartest bank: A brain bank

Have you ever considered why does someone have a head scanner? The usual procedure starts with your doctor recommending it whenever he/she considers that you are showing the symptoms of a disease.

Luckily, in many cases, the brain MRI (Magnetic Resonance Image), a sort of photograph that allows us to take a look inside our heads, does not show anything unusual in our brains. At that point, the doctor will try a different diagnosis path. Nevertheless, sometimes the brain image shows that the doctor was right and there is something bad in your head (in a more literal way).

This situation is very common in our hospitals, but it has a problematic consequence: MRIs of brains with a pathology are mostly acquired after the patient has developed the symptoms of a disease. Therefore, for some diseases, it is extremely rare to have brain images at a pre-symptomatic stage. Thus, it is not possible to know how those brains are. This makes early diagnosis and treatments for some diseases very problematic.

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Structural brain MRI that automatically makes this text more believable. (Source: Wikimedia Commons)

How can we solve this problem? After performing a brain scan to a big enough portion of the population, using epidemiologic statistics we would be able to predict that a certain ratio of those individuals would be suffering some disease(s) in their pre-symptomatic stage. Nevertheless, some diseases are so uncommon that the amount of people to scan would be huge if we would like to run a study with significative results (A typical brain MRI study does not have more than 100 subjects). The means to implement a project like this are too big for a University or an individual research group.

 

UK Biobank is a national-level epidemiological study in the UK with the goal of creating a database with biomedical information of 500,000 volunteers (aged 40 to 70) aimed to be used to study all kind of diseases and find biomarkers for early diagnose. UK Biobanks is collecting genetic information, lifestyle data (with an extensive questionnaire), biological samples (blood and urine) and every possible relevant medical information from their volunteers. Furthermore, a fraction of them will undergo brain and cardiac MRI acquisitions, making this the biggest brain MRI project to date.

The following video shows the special features of this project:

FMRIB (the Oxford Centre for Functional MRI of the Brain) in the University of Oxford, is the leading team for the brain imaging section of this project. Due to the huge amount of subjects to scan, the acquisition protocol has been highly optimised to be able to acquire a wide range of images in just 30 minutes. This will allow the scanning of 60 people per day in 3 different sites in England, 7 days a week, 365 days a year.

Acquired MRIs will include structural images (allowing a high level of detail and contrast to easily identify brain structures such as the hippocampus or the amygdala, or calculating measures such as the cortical thickness), functional images (showing activation in different brain regions in a dynamic and synchronic way, either performing a certain task or in resting state) and diffusion images (showing how different regions of the cortex (grey matter) are ‘wired’ through the white matter).

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Functional brain MRI showing activation in the visual cortex similar to the activation you can find on a dead salmon. (Source: Wikimedia Commons)

All these images are processed using advanced automated analysis tools that can numerically characterize the structure of the brain and how it works. The data of the first 10,000 volunteers has been publicly released*. This is an important resource for researchers all around the world. Every volunteer in UK Biobank is a member of the NHS (British National Health System) and therefore, scientists will be able to study the relationship between the generated brain features and the different diseases that a small ratio of the volunteers will develop.

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Brain connections in white matter after a diffusion weighted imaging processing without statistic bugs. (Source: Wikimedia Commons)

The range of possibilities that UK Biobank offers as a resource are massive and the project clearly shows that the future of biomedical research will necessarily pass by the development of big endeavours such as this one as well as the combination of efforts of multidisciplinary teams gathering together subjects as different as medicine, physics and computer sciences.

By Fidel Alfaro Almagro, DPhil Student in Clinical Neurosciences, University of Oxford. SRUK Oxford constituency.

More info:

*Nature Neuroscience – Multimodal population brain imaging in the UK Biobank prospective epidemiological study. 2016

BBC – World’s biggest scanning project to track diseases

Scientific American – Massive U.K. Brain-Mapping Project Releases First Results.