A História da Neuroimagem

Renato M.E. Sabbatini, PhD


A imagem na ciência tem uma enorme importância. Por termos, como todos os primatas, um sistema visual altamente desenvolvido (visão colorida, binocular, estereoscópica, de alta resolução, etc.), nossa cognição depende extremadamente da compreensão visual. Neste artigo, examinaremos a evolução histórica dos métodos baseados em imagem para o estudo da estrutura e da função do sistema nervoso, desde as ilustrações de disseções anatômicas até os métodos mais modernos de ressonância magnética e cintilografia nuclear.

Os Antecedentes

Até os últimos anos do século XIX, os métodos de estudo do sistema nervoso que utilizavam imagens se limitavam ao mundo relativamente restrito da anatomia macroscópica e microscópica. Desde que Leonardo da Vinci tinha utilizado, a partir de 1489, seu extraordinário talento artístico para mostrar que a imagem não era apenas uma forma de documentar a observação da natureza, como era comum desde Aristóteles (ele mesmo, diz-se, um grande desenhista e forte defensor da utilidade da imagem nas ciências naturais), mas também um método extremamente valioso para se entender melhor a estrutura e a função do corpo.

Brain Willis/Wren


Acima: Ilustração do cérebro para o livro
de Thomas Willis por Sir Christopher Wren
Abaixo: Ilustração dos ventrículos cerebrais por
Leonardo da Vinci

 Nerves Vesalius

Sistema nervoso isolado do corpo, por
Andreas Vesalius

Aliado à dissecção sistemática, o desenho anatômico macroscópico tornou-se um refinado instrumento de estudo na mão de ilustradores inspirados, como Sir Christopher Wren , o famoso arquiteto inglês, que colaborou com o médico e anatomista Thomas Willis, e o notável anatomista Andrea Vesalius, em seu livro "De Humanis Corpore Fabrica", de 1543, em si mesmo uma verdadeira obra de arte. Através do desenho de componentes isolados do restante do corpo, como os nervos, por exemplo, era possivel aos anatomistas incrementarem sua compreensão da arquitetura do sistema nervoso e induzirem sua provável função.

Assim, desde as primeiras dissecções do sistema nervoso, ainda na época dos filósofos naturalistas gregos, tivemos o primeiro grande passo dentre os que marcaram, até os tempos recentes, a chamada "revolução das imagens" na medicina em geral, e na neurociência em particular:

A invenção do microscópio, por Janssen, em 1620, e seu subseqüente uso por notáveis estudiosos, como Robert Hooke e Anton van Leeuwenhoek, no século XVIII, levou à progressiva descoberta do mundo microscópico das células e de seus processos. A partir do uso de instrumentos e técnicas mais refinadas, como o microscópio acromático, em 1824, da microtomia e dos corantes, em 1846, mas, principalmente, da técnica de Golgi, em 1885, foi possível para a neurociência realizar o segundo passo e começar a usar mais intensamente as técnicas de imagem para investigação básica, bem como para as suas primeiras aplicações clínicas da imagem (neuropatologia). Para esta finalidade, foram utilizados diversos instrumentos que facilitavam o desenho e a documentação fiel dessas imagens, inicialmente através da camara lucida e da camara obscura, e finalmente, pela invenção da fotografia e da cinematografia, já no final do século XIX.

A esquerda: desenho das células de Purkinje,
feito por Santiago Ramon y Cajal (1899).

Acima: Fotografia de um nenrônio corado com
o método da prata de Golgi.


Camara lucida usada para traçar desenhos ao microscópio


Camara obscura

 A cinematografia, especialmente, por analizar imagens em movimento, revelou-se extremamente útil no estudo de alguns aspectos funcionais, como o comportamento e a motricidade, como demonstraram as aplicações pioneiras de Edward Muybridge, na Inglaterra, e por Jules-Etiénne Marey, na França.

Acima: Filme obtido a partir
das fotos seqüências de Edward
Muybridge, utlizando a máquina
fotográfica especial, à direita.

Os métodos gráficos de registro da atividade elétrica do sistema nervoso, por sua vez, foram as primeiras tentativas de se obter imagens funcionais do sistema nervoso em ação (o terceiro passo). Embora elas não fossem neuroimagens, no sentido mais estrito do termo, tornarem-se poderosas tecnologias pictóricas na neurociência, a partir do momento em que as variações bioelétricas puderam ser amplificadas e registradas em função do tempo, em telas fosforecentes, filme fotográficos ou papel, como no caso do galvanômetro de corda (inventado por  Willem Einthoven em 1902, e usado por Hans Berger em 1924, para a descoberta do eletroencefalograma), e do osciloscópio (introduzido na neurociência por Herbert Gasser em 1922).


Os raios X: a nova luz

Bem no final do século XIX, no entanto, uma notável descoberta mudou radicalmente o uso de imagens na ciência e na medicina. Ela foi feita quase que por acaso, por um físico e engenheiro alemão, Wilhelm Konrad Röntgen, na Universidade de Würzburg. Röntgen estava estudando as propriedades da fluorescência de gases rarefeitos em tubos de vidro, quando submetidos à grandes diferenças de voltagem. Descobertos por um físico inglês, William Crookes, em 18xx, eles tinham sido a base para a construção do primeiro osciloscópio, por Karl Ferdinand Braun, em 18xx. Máquinas eletrostáticas e bobinas elétricas eram usadas para gerar as grandes voltagens necessárias para alimentar o tubo de raios catódicos, como foi denominado.

No dia 8 de novembro de 1895, na tentativa de bloquear o efeito da luminosidade externa sobre a fluorescência que emanava naturalmente de um tubo Crookes-Rittorf, Röntgen colocou-o dentro de uma caixa de papelão e escureceu o ambiente. Ao fazer isso, notou, espantado, que uma folha de papel com isocianato de bário, colocada a alguns metros do aparelhamento, fosforecia no escuro. Alguma coisa estava sendo emitida pelo tubo, pois, ao desligá-lo, a fosforescência desaparecia. Röntgen começou então uma febril série de experimentos, ao longo da semana seguinte, procurando entender a natureza do fenômeno. Interceptando vários objetos entre o tubo de Crookes e o detector, notou que alguns, como a água e o papel, eram transparentes ao que ele imediatamente reconheceu como sendo um novo tipo de radiação. Outros, por sua vez, eram opacos e bloqueavam a transmissão, como os metais. Em um determinado momento, ao colocar a sua mão sobre o detector fosforescente, viu, subitamente, o débil contorno dos seus próprios ossos! Deve ter sido um momento absolutamente fascinante e mágico para Röntgen: pela primeira vez, a humanidade podia observar o interior do corpo, em um organismo intacto. Um resultado totalmente inesperado de uma simples investigação física básica.

Röntgen também descobriu que a radiação, a qual ele denominou de raios X (em referência ao x do desconhecido, da matemática), era capaz de impressionar um filme fotográfico, e assim fez o que foi a primeira radiografia da história, da mão de sua esposa. São claramente visíveis os ossos da mão e um anel de metal. Röntgen rapidamente escreveu um artigo comunicando seu extraordinário achado, o qual apresentou à sociedade científica de Würzburg, em 12 de dezembro do mesmo ano. Demonstrando a técnica para a fascinada platéia, Röntgen fez uma radiografia do presidente da sociedade, o eminente neurocientista Albert von Kölliker (que ficou mais tarde muito conhecido por apoiar a doutrina neuronal e batizar as células neurais com o nome de neurônio). O próprio Röntgen foi o primeiro a notar o potencial de sua descoberta para a medicina.

William Konrad Röntgen

Reconstrução do laboratório de Röngten, com o
equipamento utilizado para a produção de raios X


Radiografia da mão de
Albert von Kölliker, feita
por Röntgen em 1895.

A descoberta dos raios X logo se espalhou pelo mundo com impressionante velocidade, atiçando a imaginação da imprensa, de leigos, cientistas e médicos. Basta dizer que apenas em 1896 foram escritos mais de 50 livros e alguns milhares de artigos sobre o fenômeno.  Já em fevereiro de 1896, apenas três meses depois da descoberta de Röntgen, foram realizadas, nos EUA, as primeiras aplicações clínicas práticas da radiologia, ao ser usada para identificar fraturas ósseas, no serviço do Dr. Xxx. Podemos dizer que nunca houve, na história da ciência, um período tão curto transcorrido entre uma descoberta fundamental e sua primeira aplicação, particularmente na ciência médica. Isso é particularmente extraordinário por ter ocorrido em uma época em que as dificuldades e lentidão da comunicação científica eram imensamente maiores do que as atuais! Wilhelm Röntgen ganhou o prëmio Nobel de 1905 por sua revolucionária contribuição à ciência, que não se limitou à Medicina, mas que foi a maior beneficiária dos raios X.


Primeiras aplicações clínicas da radiografia nos EUA (fratura do antebraço) na clínica do Dr. Robert Crowe 
Uso do fluoroscópio para diagnóstico na clínica Wagner

Na neurociência, entretanto, os raios X não foram um sucesso total, por vários motivos. O tecido nervoso é muito pouco radio-opaco, e está encerrado em uma caixa óssea externa espessa, que funciona como forte barreira. Além disso, ao contrário de outros órgãos, como o coração, o pulmão e os intestinos (que foram os mais radiografados desde o início, principalmente depois da descoberta dos contrastes rádio-opacos de bário, pelo fisiologista americano Walter Cannon), a típica projeção planar dos raios X sobre o filme fotográfico dificulta a localização tridimensional tão característica do cérebro. Os neurologistas logo descobriram que as radiografias do crânio mostravam muito pouco da estrutura interna cerebral. Podia se visualizar debilmente os ventrículos cerebrais e um pouco do parênquima, mas as aplicações iniciais foram no diagnóstico de patologias relativamente grosseiras, como hemorragias subdurais, nódulos calcificados, grandes traumas e alguns tumores. 

Radiografia típica do crânio

O grande neurocirurgião americano Harvey Cushing foi o primeiro a utilizar sistematicamente o raios X como auxílio às cirurgias do sistema nervoso, como na localização mais exata de tumores.


Harvey Cushing


Walter Dandy


Egas Moniz

Foram necessários, portanto, alguns desenvolvimentos técnicos adicionais para que os raios X se tornassem mais úteis à neurociência básica e clínica. Destes, destacaram-se quatro grupos de técnicas:

A ventriculografia. O cirurgião americano Walter Dandy, em 1918, descobriu que, ao injetar ar por meio de uma agulha, diretamente nos ventrículos cerebrais, eles se destacavam na radiografia, permitindo assim um grau adicional de referência espacial, além dos acidentes ósseos. Essa técnica, denominada de pneumoencefalografia, foi usada por muitas décadas, até se descobrir que meios iodados injetados nos ventrículos forneciam um contraste melhor.
A fluoroscopia: O grande inventor e cientista americano Thomas Alva Edison interessou-se pelos raios X logo após a sua descoberta, e aplicou seu extraordinário gênio inventivo ao seu aperfeiçoamento e popularização. Entre outras coisas, ele desenvolveu um fluoroscópio portátil em 18xx, que consistia de uma tela fluorescente sensível aos raios X, que podia mostrar a imagem sem necessidade de radiografar fotograficamente. O fluoroscópio logo mostrou sua utilidade na medicina, ao permitir a observação de imagens internas do corpo em movimento, como o coração, o aparelho fonador, etc.
A arteriografia. O neurologista português Egas Moniz descreveu em 1927 como as artérias apareciam com grande detalhe contra o fundo de um parênquima cerebral mais tênue, ao injetar uma solução de iodeto de sódio nas artérias carótidas. O método (posteriormente batizado também de angiografia cerebral), revelou-se muito útil para o diagnóstico e localização de aneurismas, malformações vasculares, derrames hemorrágicos, etc/, além de proporcionar novas referências espaciais para a localização tridimensional mais efetiva de alterações intracerebrais. Moniz inventou um equipamento que tirava rapidamente várias radiografias à medida em que o contraste intra-arterial progredia dentro do cérebro, e um outro, para mostrar rapidamente em seqüência as radiografias tiradas, como em um filme ou em um desenho animado. Nascia, assim, um método indireto de estudar função através de um método eminentemente estrutural, como os raios X.
A planigrafia. Os radiologistas logo descobriram que se tirassem várias radiografias em diferentes incidências e planos, podiam combinar essas imagens para obter uma localização espacial mais específica dentro do cérebro. Foi criada, então uma tecnologia específica, denominada de planigrafia linear, desenvolvida primeiramente em 1931 pelo holandês Ziedses des Plantes (1902-1993). Ela se baseia no movimento linear simultâneo do filme e da fonte de raios X, em direções opostas. Isso mantém o foco sobre a estrutura que se quer obter a imagem, no interior do corpo, que aparece mais nítida, em contraste com as estruturas distantes desta, que aparecem desfocadas. Posteriormente, a planigrafia recebeu o nome mais apropriado de tomografia linear (do grego "tomos", que significa "corte"), e que foi a antecessora da tomografia computadorizada. O italiano Alessandro Vallebona (1899-1987) em 1930 desenvolveu também uma técnica semelhante, mais sofisticada, que fazia o equipamento girar em torno de um eixo onde estava localizado o paciente, a qual chamou de estratigrafia. Posteriormente, esta técnica foi rebatizada com o nome de tomografia axial.

Equipamento francês de tomografia axial de 1947


Alessandro Vallebona, inventor da tomografia axial de raios X

Principio da planigrafia linear de Des Plantes (1931). A estrutura a ser imageada fica na altura do fulcro (ponto constante)

Ziedes de Plantes, inventor da
tomografia linear de raios X

No entanto, apesar de todas essas inovações, a neurociência teve que esperar mais de 70 anos, até que aparecesse um método de imagens por raios X que realmente fosse capaz de preencher os requisitos mínimos para o estudo estrutural do sistema nervoso. Esse desenvolvimento técnico, uma das mais importantes revoluções metodológicas na história da medicina, foi denominada de tomografia axial computadorizada.

A tomografia axial computadorizada

Desde a época em que a tomografia linear foi desenvolvida, os cientistas sabiam que se houvesse uma maneira de deslocar o equipamento de raios x ao redor de paciente, tirando mais radiografias do que no método linear, seria possível obter imagens muito mais nítidas do interior do corpo, em planos que normalmente se misturam uns com os outros na radiografia projetiva comum. A solução matemática, denominada de integração de linha, também era conhecida, e foi basicamente desenvolvida pelo matemático americano Allan Cormack em 1965. A técnica para obter as imagens, a tomografia de emissão computadorizada, usando o detector situado a 180 graus do emissor de raios X, também tinha sido desenvolvida em 1963, por David Kuhl e Roy Edwards. Até esta época, no entanto, a técnica de tomografia axial computadorizada, como foi denominada, era inviável do ponto de vista computacional, pois os processadores analógicos e digitais ainda não tinham a capacidade para processar essa grande quantidade de imagens.

Foi preciso aguardar que surgissem computadores digitais mais compactos e mais baratos, e, principalmente, detectores de raios-x de estado sólido. Essas duas tecnologias-chave convergiram, através da revolução da microeletrônica digital, na terceira geração de computadores, os chamados minicomputadores, no início da década dos 70s. 


Protótipo de CT de William Oldendorf


Protótipo de CT de Alan Cormack

Um radiologista americano, William H. Oldendorf, desenvolveu as primeiras aplicações de reconstrução médica em 1961, a partir de experimentos com um protótipo rudimentar. O inventor do primeiro aparelho prático de tomografia axial computadorizada, no entanto, fou um engenheiro escocês, Godfrey Hounsfield, que em 1967 conseguiu adquirir imagens radiográficas digitais em tempo real, ao redor de um eixo, e que processadas por meio do algoritmo de integração de linha, foram capazes de render as primeiras imagens tomográficas axiais computadorizadas. Os primeiros tomógrafos eram extremamente lentos e imprecisos, e não podiam ser usados em aplicações clínicas, pois demorava 9 horas para obter uma seção, e cerca de 9 dias de tempo de computação para a sua reconstrução com apenas 4% de acurácia!

O progresso técnico foi rápido, entrementes. Por volta de 1970, A empresa escocesa onde trabalhava Hounsfield, a XXX, foi a primeira a lançar, em 1970, os primeiros modelos comerciais que se espalharam rapidamente, pelo mundo, apesar do altíssimo preço (os primeiros CAT scanners, como foram alcunhados, de sua sigla em inglês, Computed Axial Tomography, custavam alguns milhões de dólares). Nos EUA, o especialista em computação médica Robert S. Ledley, patenteou em 1974 um modelo de tomógrafo (ACTA: Automatic Computerized Transverse Axial Scanner) que foi logo aproveitado para venda por empresas como a General Electric, fazendo com que o setor econômico de imagens médicas computadorizadas crescesse enormemente nas décadas seguintes. Cormack e Hounsfield receberam o prêmio Nobel de 1979 por suas descobertas. 


William H. Oldendorf


Alan C. Cormack


Sir Godfrey N. Hounsfield


Robert S. Ledley

As primeiras imagens obtidas do cérebro eram bastante grosseiras, mas mostravam o caminho tecnológico que foi seguido inexoravelmente nos anos seguintes, de desenvolvimento de uma formidável ferramenta de visualização do interior do corpo. O cérebro era o órgão ideal para a CAT, pelas razões que expusemos acima, assim, não é de se surpreender que os primeiros equipamentos tinham espaço apenas para a cabeça, e foram usados exclusivamente em neurologia.

   



FIGURA [ Tomografia x seção | Tomógrafo Siretom da Siemens ]

Com a tomografia axial computadorizada, pela primeira vez os neurocientistas e médicos podiam ver com grande detalhe e obter a localização precisa de tumores, de estruturas cerebrais demarcadas, como feixes de fibras, nervos, substância cinzenta, etc.  A neuroimagem passou a ter um extraordinário desenvolvimento.

No entanto, a tomografia ainda tinha deficiências importantes com relação ao ideal em termos de imagem do sistema nervoso. Apesar das imagens obtidas do tecido nervoso serem muito mais nítidas e detalhadas do que as de radiografias planares comuns, a questão da sua grande transparência aos raios X não permitia chegar à uma identificação mais detalhada das estruturas neurais, como desejavam os neurocientistas e neurologistas. Outra deficiência é que as imagens de raios X são puramente estruturais, e havia a necessidade cada vez maior de se obter também mapeamentos funcionais não-invasivos do sistema nervoso.

Felizmente, mais ou menos na mesma década em que surgiu a tomografia axial computadorizada, outros cientistas e inventores, aproveitando o princípio da reconstrução computadorizada axial, descobriram novas formas de se obter imagens estruturais e funcionais que excediam em muito a capacidade da tomografia dos raios-x. Esses inventos, cruciais para o desenvolvimento da neuroimagem nas décadas seguintes, foram a tomografia de ressonância nuclear magnética (NMR) e as tomografias de emissão de fótons (SPECT) e de pósitrons (PET).

A Tomografia de Ressonância Magnética

Por volta de 1930, o físico Isidor Rabi, trabalhando nos EUA, tinha descoberto um fenômeno importante, a que ele denominou de ressonância nuclear magnética. Os avanços na física de partículas tinham determinado que os prótons contidos nos núcleos de átomos tinham um movimento em torno do seu eixo, denominado de “spin” (giro). Como os prótons e os elétrons em suas órbitas ao redor do núcleo de determinados átomos formam um dipolo elétrico (cargas elétricas opostas separadas por um espaço), e estes dipolos estão em constante movimento, gera-se também um dipolo magnético (norte-sul). Rabi descobriu, então, que submetendo uma substância deste tipo (como o hidrogênio, por exemplo) a um fortíssimo campo magnético oscilante externo, os dipolos magnéticos nucleares se alinhavam todos na mesma direção, seguindo as linhas deste campo, através da absorção de sua energia (é o chamado fenômeno da ressonância, que significa "vibrar em conjunto"). Ao ser suspenso abruptamente o campo magnético (o relaxamento), os dipolos voltavam ao seu movimento aleatório, e devolviam a energia absorvida na forma de ondas eletromagnéticas, cuja freqüência era típica de cada tipo de átomo. Analisando o espectro (a soma) de todas as freqüências emitidas, Rabi era capaz de medir a quantidade de cada átomo na amostra, criando um novo método de análise molecular extremamente poderoso, que foi chamado de espectroscopia de ressonância magnética nuclear.

Isidor Rabi

Raymond Damadian

Paul Lauterbur

Outro físico americano, Paul Lauterbur, na década dos 60s, chegou à conclusão que se fosse possível recolher esta radiação eletromagnética a partir de vários pontos ao redor do mesmo plano de uma amostra estimulada magneticamente, poderia se obter uma imagem dos átomos da mesma. Após vários experimentos com um protótipo, ele demonstrou que isso realmente era possível.

Na mesma época. um médico de origem armênia, Raymond Damadian, estava experimentando com a espectroscopia de NRM para tentar diferenciar as características paramagnéticas de tumores, em uma faixa do espectro chamado T1. Ele tinha conseguido demonstrar que neoplasias tinham respostas de NMR diferentes de tecido normal, e isso tinham uma enorme importância como método diagnóstico. Ao conhecer o trabalho de Lauterbur e Hounsfield, Damadian fez a junção entre as tecnologias de imageamento por NMR e de tomografia axial, e construiu em 1975 o primeiro tomógrafo de NRM para aplicações clínicas (inicialmente também apenas para a cabeça). O primeiro protótipo que ele e sua equipe construíram, batizado de “The Indomitable”, mostrou que essa técnica era ideal para imagear tecidos moles, portanto, o cérebro. Damadian fundou uma empresa, a Fonar, que rapidamente lançou a primeira máquina comercial, ainda mais cara do que os tomógrafos de raios X, e que foi líder do mercado por muitos anos. O protótipo foi parar no Museu de História Americana da Smithsonian Institution, em Washington, nos EUA.

The Indomitable, o primeiro tomógrafo
de ressonância magnética

Imagem sagital do cérebro obtida por MRI



Para Saber Mais

In Search for the Third Dimension: From Radiostereoscopy to Three-Dimensional Imaging. R. Van Tiggelen.