Las tecnologías de neuroimagen han sido utilizadas para estudiar el cerebro en relación con el comportamiento humano, permitiendo un acercamiento a la estructura anatómica y al funcionamiento del cerebro. Por medio de estas tecnologías se puede estudiar el cerebro vivo y los investigadores pueden ver en cuáles zonas del cerebro procesos específicos tienen lugar. En el pasado, antes de los avances tecnológicos, los estudios que investigaban la relación entre el comportamiento y el cerebro se hicieron a través de autopsias, las cuales en algunos casos todavía son necesarias. Hay una variedad de técnicas que permiten investigar las relaciones entre el cerebro y el comportamiento, cada una de las cuales tiene sus ventajas y desventajas. La tecnología para utilizar en un estudio depende de varios factores como son la disponibilidad y el costo.
Por otro lado, existen limitaciones al usar estas tecnologías para estudiar el cerebro debido a que llevan a un análisis reduccionista sobre las causas del comportamiento que no tienen en cuenta otros factores que no sean los biológicos como son las variables socioculturales, socioeconómicas y las influencias parentales de los pares. Adicionalmente, los estudios realizados con estas tecnologías, especialmente aquellos que estudian el funcionamiento del cerebro mientras los participantes realizan una tarea, no proveen un ambiente natural para la cognición, cuestionando su validez ecológica. Finalmente, el uso de colores para evidenciar los resultados exagera las diferentes actividades del cerebro.
Técnicas para investigar la estructura del cerebro
La autopsia fue la primera técnica utilizada para estudiar la relación entre el cerebro y el comportamiento. Esta técnica permite observar con detalle la estructura del cerebro de una persona que ya ha muerto, tanto macroscópica como microscópica. Se utiliza para detectar diferencias en el cerebro de personas que han presentado algún problema cognitivo o comportamental durante su vida respecto a cerebros sanos. Para establecer la relación entre el comportamiento y el cerebro, los investigadores hacen un análisis detallado de la persona a través de un estudio de caso. Cuando muere se hace la autopsia realizando un estudio detallado del cerebro con el fin de establecer la relación entre el comportamiento de la persona cuando estaba viva y las diferencias anatómicas en el cerebro. Esto se ha hecho generalmente con personas que han sufrido algún daño cerebral o que presentan diferencias en su comportamiento en relación con lo que se considera “normal.” Al comparar un cerebro sano con las anormalidades encontradas en el cerebro del fallecido, se pueden asumir qué áreas del cerebro y cuáles anormalidades son responsables de los cambios comportamentales observados durante la vida del individuo.
Esta técnica no ha sido reemplazada totalmente por las nuevas tecnologías de neuroimagen ya que sólo una autopsia permite ver la estructura microscópica del cerebro. Por otro lado, existen condiciones como la enfermedad de Alzheimer para la cual sólo se puede dar un diagnóstico definitivo después de realizar una autopsia; en caso del Alzheimer las tomografías cerebrales pueden evidenciar daño cerebral pero no su causa exacta.
Esta fue la técnica utilizada en la segunda mitad del siglo XIX por Broca (1861) y Wernicke (1874) en sus estudios de caso que llevaron a detectar las áreas cerebrales relacionadas con la pérdida de funciones de lenguaje, denominada afasia. Los estudios son de interés histórico, a pesar de ser antiguos.
Adicionalmente, el estudio de caso de Henry Molaison, quien fue conocido como HM durante su vida, continuó con un análisis de su cerebro después de su muerte. HM fue operado por William Scoville en 1953 a la edad de 27 años, removiendo sus hipocampuses y otros tejidos de los lóbulos temporales mediales con el fin de controlar una epilepsia intratable. El estudio de caso detallado, realizado inicialmente por Brenda Milner y colaboradores (Scoville y Milner, 1957; Milner y colaboradores, 1968), fue posteriormente complementado con una Resonancia Magnética Estructural (Corkin y colaboradores, 1997). Después de su muerte, su cerebro fue donado para un estudio de autopsia más detallado; fue congelado y luego rebanado en secciones delgadas que posteriormente fueron escaneadas como recurso de investigación en línea. (Augustinack y colaboradores, 2014; Annese y colaboradores, 2014)
Fortalezas de las autopsias:
- Se puede hacer un estudio detallado de la anatomía tanto macroscópica como microscópica del cerebro dependiendo del objetivo del investigador, sin lesionar el cerebro de una persona viva.
- Es un método útil para confirmar un diagnóstico una vez la persona ha muerto y se pueden hacer generalizaciones a personas que presentan los mismos síntomas que la que ha muerto, permitiendo hacer un tratamiento apropiado.
- Si se ha hecho un estudio de caso detallado cuando la persona estaba viva, se puede llegar a conclusiones sobre el funcionamiento de las zonas cerebrales que han sido lesionadas o que muestran diferencias.
Limitaciones de las autopsias:
- Se requiere de experticia médica para realizar una buena autopsia.
- Pocas personas hacen donación de sus cerebros para ser estudiados, especialmente de cerebros sanos que puedan servir como controles.
- Sólo se pueden hacer inferencias entre el comportamiento de la persona cuando estaba viva y el daño cerebral que se puede observar en una autopsia, sin poder llegar a una relación causa-efecto certera. Tampoco se puede llegar a una conclusión definitiva sobre la función de la zona cerebral lesionada.
- Sólo se puede hacer un estudio anatómico ya que no permite estudiar procesos cerebrales, los cuales sólo se pueden hacer cuando la persona está viva.
La Tomografía Axial Computarizada (TAC) provee imágenes de la estructura del cerebro utilizando un equipo especial de Rayos X, permitiendo crear imágenes transversales y bidimensionales del cerebro que luego pueden ser utilizadas para construir imágenes tridimensionales. En algunos casos se utiliza un medio de contraste que permite mejorar la visualización de las estructuras. El sujeto se acuesta en un aparato cilíndrico que se mueve para que la fuente de Rayos X escanee su cerebro. A medida que pasa por el escáner, se detectan de manera diferencial los tejidos porque los huesos y los tejidos duros absorben más Rayos X que los tejidos blandos. De esta manera se muestra la estructura del cerebro.
Fortalezas del TAC:
- Produce imágenes de los vasos sanguíneos, de los tejidos blandos y de los huesos simultáneamente.
- Son más rápidos y económicos que la Resonancia Magnética Estructural y por ese motivo se utilizan con frecuencia en las emergencias.
- Se pueden usar en personas que tienen implantes metálicos y marcapasos porque no utiliza magnetismo.
Limitaciones del TAC:
- Debido a que utiliza radiación puede aumentar el riesgo de cáncer.
- El uso de medio de contraste conlleva a efectos secundarios desagradables a corto y largo plazo, aunque éstos últimos no son comunes. Adicionalmente, pueden presentarse reacciones alérgicas.
- Debido al uso de radiación y posible medio de contraste no se usan en mujeres embarazadas excepto en casos en que los beneficios sean superiores a los riesgos.
La Resonancia Magnética Estructural (RME) provee imágenes en dos y tres dimensiones de la estructura del cerebro utilizando magnetismo y ondas radiales que permiten medir los núcleos de hidrógeno en el cuerpo debido a que éstos se alinean y emiten energía al ser sometidos a un campo magnético externo. Cuando esta energía es detectada por el escáner, la distribución relativa de los átomos de hidrógeno en el cerebro es detectada y produce una imagen del cerebro; de esta manera se puede ver la diferencia entre la sustancia gris, la cual se encuentra en la superficie del cerebro donde están los cuerpos de las neuronas y la sustancia blanca, la cual, contiene los axones mielinizados al interior del cerebro. Este tipo de escanografía permite investigar cambios en el cerebro, incluyendo la sustancia gris que se encuentra en la superficie del cerebro donde están los cuerpos de las neuronas y se ubica el núcleo de ésta.
Por medio de una RME se puede medir el tamaño de diferentes áreas cerebrales, permitiendo compararlas con las de otras personas. Una RME logra detectar tumores, derrames de sangre, daños en áreas cerebrales, daños en los vasos sanguíneos e infecciones, además de detectar anormalidades cerebrales en personas con demencia como el Alzheimer. Es una tecnología muy útil en neuropsicología para el estudio de personas con daño cerebral porque tiene la ventaja de dar una imagen bastante nítida del cerebro, permitiendo una localización bastante exacta del daño. Esto puede ser crítico para determinar cómo un daño específico está involucrado en un comportamiento o proceso cognitivo.
Adicionalmente, permite visibilizar cambios en el tamaño de ciertas zonas en el cerebro como resultado del aprendizaje como los estudios de Maguire y colaboradores (2000, 2006) y el de Draganski y colaboradores (2004, 2006). Como se anotó anteriormente, Corkin y colaboradores (1997) complementó el estudio de caso de HM con una RME.
Existe un nuevo tipo de RM que permite visualizar la estructura de la sustancia blanca del cerebro y los cambios que se pueden presentar en ésta, Resonancia Magnética con Tensores de Difusión (RMd). La sustancia blanca contiene las fibras nerviosas (axones y dendritas) que conectan unas neuronas con otras. El RMd mide la difusión del agua a lo largo de los axones mielinizados en el centro del cerebro.
Fortalezas de la RME:
- Es una técnica no invasiva.
- Produce imágenes detalladas del cerebro que pueden ser utilizadas para hacer diagnósticos de daños cerebrales; las imágenes tienen una mayor resolución espacial que las del TAC.
- Se pueden medir el tamaño de áreas cerebrales, lo cual permite hacer comparaciones en diferentes grupos de personas.
- Debido a que no utiliza Rayos X, se pueden hacer con mayor frecuencia en caso de que esto se requiera para hacer seguimientos de una enfermedad o terapia porque no hay exposición a la radiación.
Limitaciones de la RME:
- El escáner es ruidoso.
- Los estudios con RME producen datos correlacionales y por lo tanto no se pueden hacer conclusiones causa-efecto.
- La persona tiene que permanecer quieta dentro de un tubo por un período prolongado de tiempo; los niños, las personas con claustrofobia y ciertas enfermedades pueden tener dificultades para mantenerse quietos.
- El movimiento afecta la calidad de la imagen.
- Debido a que usa magnetismo no se puede usar en personas que tengan metal en su cuerpo como marcapasos e implantes metálicos, especialmente si contienen hierro.
- Es más costoso que el TAC y por lo tanto no se encuentran en muchos centros hospitalarios. Por este motivo sólo se utiliza en casos especiales.
- A veces el escáner detecta anormalidades “leves” que no están relacionadas con la sintomatología y se pueden reportar falsos positivos que causen ansiedad en los pacientes, lo cual, los lleva a buscar tratamientos innecesarios.
El Electroencefalograma (EEG) se utiliza para medir la actividad eléctrica generada por los circuitos neuronales en el cerebro. Las neuronas se comunican entre sí enviando señales eléctricas a lo largo de sus axones. Cuando un grupo de neuronas se disparan de manera sincrónica, los potenciales eléctricos se pueden detectar en la superficie del cráneo. Para realizarlo se colocan electrodos en el cuero cabelludo, los cuales registran la actividad eléctrica para ser analizada. Los resultados no son una imagen cerebral como en el caso del TAC y de la RME sino un gráfico de las ondas cerebrales.
Hay distintos tipos de ondas cerebrales que se registran en un EEG. Las ondas alfa se presentan cuando la persona está despierta y mentalmente alerta pero con los ojos cerrados. El cerebro también produce ondas beta que normalmente se ven cuando la persona está alerta o ha tomado medicinas como las benzodiacepinas. En adultos que están despiertos el cerebro muestra una mezcla entre ondas alfa y beta, evidenciando una actividad similar en ambos hemisferios cerebrales. Las ondas delta y theta normalmente se observan en personas que están dormidas.
Un EEG anormal indica que existe un problema. Por ejemplo, se pueden mostrar diferencias en la actividad eléctrica entre el hemisferio cerebral izquierdo y el derecho, lo cual puede evidenciar un problema en un área del cerebro. El EEG también puede presentar ráfagas repentinas de actividad eléctrica (espigas) o una lentificación repentina de las ondas cerebrales, cambios que pueden ser causados por un tumor, una infección, una lesión o una epilepsia. Por este motivo se ha utilizado para investigar epilepsias y cambios en la actividad cerebral después de un accidente craneoencefálico o cerebrovascular (ACV), así como en casos de demencia.
Esta tecnología se ha utilizado extensivamente en el estudio del sueño, mostrando cambios en la actividad cerebral a lo largo de las etapas del sueño, cada una de las cuales tiene un patrón de ondas diferente. Esto ha llevado a la posibilidad de evaluar problemas con el sueño. Actualmente también se está utilizando para estudiar cambios en las ondas cerebrales cuando se realizan tareas cognitivas como la memoria y el lenguaje.
Avances tecnológicos recientes han permitido el uso del EEG portátil para medir la actividad de una persona mientras se mueve en su medio ambiente u otros ambientes externos. En estos casos usan una gorra con electrodos que recogen la actividad eléctrica del cerebro. Esto ha sido útil en la psicología del deporte y para observar cambios en la actividad cerebral como resultado de cambios en el ambiente, por ejemplo, una calle transitada vs. un espacio verde como el de Aspinall y colaboradores (2015). Esto permitirá hacer estudios con una mayor validez ecológica a la que se puede lograr en el laboratorio.
La resolución temporal es muy buena, en el orden de milisegundos. Sin embargo, su resolución espacial es muy pobre y por lo tanto no puede ser usado para establecer la zona cerebral de donde proviene la señal eléctrica debido a que los electrodos se colocan en el cuero cabelludo y por lo tanto no es suficientemente sensible para detectar el área cerebral específica de la actividad eléctrica.
Fortalezas del EEG:
- Es una medida económica para identificar procesos cerebrales, enfocando en la actividad eléctrica del cerebro.
- Mide la actividad neuronal.
- Se puede registrar la actividad eléctrica del cerebro en tiempo real con una buena resolución temporal a un nivel de milisegundos.
- Es silencioso y se pueden hacer evaluaciones de respuestas a estímulos auditivos.
- Es una técnica no invasiva.
- Puede ser portátil.
Limitaciones del EEG:
- Tiene pobre resolución espacial y es difícil saber de qué zona específica del cerebro proviene la actividad o si se están registrando dos áreas al mismo tiempo.
- No puede medir actividad en zonas subcorticales; sólo puede medir actividad de la corteza cerebral.
- Se requiere de mucha experiencia para interpretar un EEG porque puede haber factores que producen “ruido” como el movimiento muscular, el cual es necesario tener en cuenta al hacer la interpretación de éste.
- En el caso del EEG portátil, es posible que la calidad de los datos no sea buena por el movimiento de los electrodos al caminar.
La Tomografía por Emisión de Positrones (TEP) es un examen de medicina nuclear que permite observar el metabolismo de la glucosa en el cerebro. Para realizar esta tomografía se usan pequeñas cantidades de material radioactivo con el fin de diagnosticar la gravedad de algunas enfermedades como cáncer y enfermedades neurológicas. Al realizar un TEP se inyecta un marcador radioactivo de vida media corta (decaimiento radioactivo rápido), generalmente glucosa (fluorodeoxyglucosa), sustancia que se acumula en áreas de mayor actividad cerebral. La glucosa radioactiva emite rayos gamma por el decaimiento radioactivo a medida que se metaboliza en el cerebro, las cuales el escáner detecta para generar una imagen. De esta manera, permite detectar el flujo sanguíneo como índice de la actividad cerebral. Debido a que las zonas cerebrales activas requieren de más flujo sanguíneo, la distribución del marcador radioactivo en el cerebro depende de las zonas que estén más activas mientras se está en el escáner.
La resolución espacial es de aproximadamente 4 mm y la temporal es de 30 a 40 segundos. Por lo tanto, no detecta procesos rápidos. Debido a que actualmente existen técnicas menos invasivas y con mejor resolución espacial como la Resonancia Magnética funcional (RMf, descrita más adelante) que no requiere la administración de químicos radioactivos, los TEP se están usando menos en el estudio de procesos cerebrales. Sin embargo, al igual que la RMf, se ha utilizado para monitorear cambios en el flujo sanguíneo mientras una persona realiza una actividad cognitiva. Esto ha permitido que los investigadores detecten las áreas cerebrales que están activas cuando se realizan tareas psicológicas, logrando investigar como el cerebro responde a determinados estímulos.
El TEP permite detectar cáncer ya que este tipo de células presentan una mayor taza metabólica, haciendo que un marcador de glucosa radioactiva se acumule. También ayuda en el diagnóstico de una demencia tipo Alzheimer porque en estos casos las células afectadas absorben menos glucosa. Esto lo puede hacer en etapas tempranas de la enfermedad, antes de que se muestran anormalidades en exámenes estructurales del cerebro como la RME.
Imágenes TEP que reflejan el metabolismo de la glucosa y la progresión de la neurodegeneración en la Enfermedad de Alzheimer. De izquierda a derecha: imagen normal, deterioro cognitivo ligero secundario a EA, fase inicial de demencia por EA y fase avanzada de demencia por EA. Crédito de imagen: Clínica Universidad de Navarra, Pamplona.
Fortalezas del TEP:
- El TEP produce imágenes de actividad cerebral que no se afectan por movimientos leves y que permiten registrar la respuesta del cerebro en tiempo real.
- Estudia el funcionamiento del cerebro a través de funciones bioquímicas y por lo tanto permite detectar enfermedades antes de poder observar cambios anatómicos como en el caso de tumores incipientes y la demencia tipo Alzheimer.
- Se puede utilizar en conjunto con un TAC con el fin de examinar que cambios bioquímicos se presentan en tejidos que muestran cambios anatómicos.
Limitaciones del TEP:
- Su resolución espacial no es muy buena y produce imágenes que no son claras.
- La resolución temporal es muy pobre y por lo tanto no detecta la actividad con suficiente rapidez.
- Utiliza un marcador radioactivo y por lo tanto es algo invasivo y aumenta el riesgo de cáncer, en especial al combinarlo con un TAC. Sin embargo, en general no conlleva mucho riesgo porque la dosis de radiación es pequeña y se degrada rápidamente.
- Sólo detecta cambios grandes en el flujo sanguíneo y omite cambios pequeños, lo cual puede llevar a falsos negativos, es decir que no se detecta activación cuando sí la hay.
- Puede ser costoso.
La Resonancia Magnética Funcional (RMf) provee información sobre el funcionamiento del cerebro, detectando cambios metabólicos cuando un área cerebral se activa, requiriendo de mayor oxigenación, es decir, de más sangre oxigenada. A mayor activación, mayor la necesidad de sangre oxigenada. Este flujo sanguíneo oxigenado contiene átomos de hidrógeno que son influenciados por el magnetismo como se describió en el aparte sobre la RME. Estos átomos de hidrógeno en la sangre son detectados por el escáner y el computador convierte las imágenes en colores representando la actividad cerebral.
Cuando se hacen estudios funcionales del cerebro se pide al participante que realice una tarea mientras se encuentra en el escáner. Cuando una zona cerebral se activa para realizar la tarea, el flujo sanguíneo oxigenado se incrementa en esa zona. El flujo sanguíneo se correlaciona con la cantidad de energía que requieren las neuronas de una zona específica del cerebro que se está activando para realizar una tarea. El escáner detecta este aumento del flujo sanguíneo oxigenado y mapea cambios en el metabolismo cerebral. A través de las ondas radiales y el magnetismo se genera una imagen en tres dimensiones para mostrar qué áreas se han activado cuando se realiza una tarea cognitiva. La señal que analiza el escáner de RMf para reconstruir la actividad cerebral se denomina BOLD (dependiencia del nivel de oxígeno sanguíneo, blood oxygen level dependent). La actividad cerebral se mapea en cubos de 1 a 5 mm llamados vóxeles; cada vóxel representa miles de neuronas y millones de sinapsis.
La resolución temporal de la RMf es de aproximadamente 1 segundo y por ello sólo se pueden hacer estudios de procesos que toman varios segundos como la memoria, el reconocimiento de rostros, la toma de decisiones y las reacciones emocionales. No puede ser utilizada para procesos que son instantáneos que sólo duran milisegundos.
Además de la posibilidad de estudiar la correlación entre el comportamiento y la actividad cerebral, el RMf también se utiliza para ver los efectos de un ACV, un trauma o una enfermedad degenerativa como el Alzheimer en la función cerebral. Hay un desafío que hay que tener en cuenta al analizar los procesos cerebrales y es el de discriminarlos del “ruido”, es decir, de la actividad de fondo. Esta actividad de fondo pueden ser movimientos de la cabeza por inquietud o de los dedos cuando tienen que presionar un botón como parte de la tarea. También pueden ser pensamientos o sensaciones que el participante tiene mientras está en el escáner. Por este motivo es necesario realizar varias pruebas o ensayos al igual que utilizar técnicas estadísticas sofisticadas. Sin embargo, a veces es imposible eliminar todos los sesgos.
La RMf es una de las técnicas más utilizadas actualmente para investigar la relación entre el comportamiento y el cerebro. Se ha utilizado para investigar la memoria como lo hicieron tanto Sharot y colaboradores (2007) en relación con las memorias vívidas (flashbulb) sobre los hechos de septiembre 11 de 2001 en Nueva York, como Antonova y colaboradores (2011) relacionado con el rol del neurotransmisor acetilcolina en el hipocampo en una tarea de memoria espacial. También se ha usado en estudios sobre trastornos psicológicos como el de Davey y colaboradores (2017) con pacientes con depresión.
Fortalezas de la RMf:
- Da una imagen detallada de la relación entre la actividad cerebral y el procesamiento cognitivo, evidenciando una buena resolución espacial de 1 a 2 mm, mayor que la de un TEP.
- Registra las señales sin los riesgos de una radiación como en el TEP.
- Ahora es posible hacer un EEG y una RMf de manera simultánea; el EEG recoge señales del cerebro mientras se está haciendo una RMf, complementando así la información que provee cada tecnología. De esta manera se monitorea la actividad eléctrica del cerebro, la cual provee una buena resolución temporal, mientras se registra la activación de las zonas del cerebro con una buena resolución espacial. Como resultado se obtiene una mirada más holística del cerebro en acción al realizar diversos procesos mentales como la memoria y el lenguaje.
Limitaciones de la RMf:
- Es costosa.
- Es ruidosa, lo cual puede causar rechazo en los participantes.
- No necesariamente da una imagen del funcionamiento en un ambiente natural.
- Tiende a producir falsos positivos y por lo tanto los investigadores deben estar muy bien entrenados y ser cuidadosos al interpretar las imágenes y sacar conclusiones de ellas, teniendo en cuenta que los procesos cognitivos y sus representaciones cerebrales son complejos.
- Es más lenta para registrar la actividad que el EEG porque su resolución temporal no es buena. El complementar esta tecnología con un EEG permite resolver este problema.
- Otras limitaciones enumeradas para le RME también aplican como la claustrofobia, el costo y su uso en personas con implantes metálicos.
Resumen de las tecnologías para investigar el cerebro en relación con el comportamiento:
Nota: Las tecnologías descritas no son métodos de investigación; son instrumentos que se utilizan para estudiar el cerebro en relación con el comportamiento. Estas tecnologías pueden ser utilizadas en experimentos (de laboratorio o naturales), estudios correlacionales, observaciones o estudios de caso, entre otros.
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