Léo RamosLa relación matemática entre la corteza cerebral y las bolitas de papel: cuanto menor sea el espesor más se pliega la superficie bajo presiónLéo Ramos
Mediante una hoja de papel abollada en forma de pelota se puede explicar cómo se pliega sobre sí mismo el cerebro de los mamíferos para formar las depresiones y protuberancias que le confieren su aspecto arrugado, similar a una nuez. La formación de esas circunvoluciones, con ranuras y vueltas, responde a un mecanismo físico universal que depende de cómo varían el espesor y la extensión de la corteza cerebral a medida que ese órgano se desarrolla, sugieren la neurocientífica Suzana Herculano-Houzel y el físico Bruno Mota, ambos de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), en un estudio publicado el 2 de julio en la revista Science.
Durante mucho tiempo, se creyó que el grado de pliegues de la corteza, la capa superficial del cerebro, estaría asociado a su capacidad de albergar más neuronas. Basándose en esa suposición, esos pliegues serían consecuencia del aumento de la cantidad de neuronas distribuidas en esa región durante el curso de la evolución de los mamíferos. Así, un cerebro con más depresiones y protuberancias debería contener mayor cantidad de esas células que las cortezas con superficies más lisas. Eso sucede, por ejemplo, cuando se comparan cerebros grandes, tales como los del ser humano, que posee más pliegues que los cerebros pequeños, como los de los ratones. Con la misma lógica, la corteza cerebral de animales tales como ballenas y elefantes, siendo mayor y teniendo más pliegues que la del humano, debería albergar más neuronas y ostentar una capacidad cognitiva más compleja. Sin embargo, la corteza cerebral humana posee tres veces más neuronas que la de los paquidermos y cetáceos.
Para dilucidar esa paradoja, los investigadores analizaron informaciones sobre la corteza cerebral de 74 especies. Se mapearon el grado de pliegues, el espesor, el volumen y la cantidad de neuronas que albergaban. Y verificaron que todos los cerebros se plegaban siguiendo una relación matemática existente entre el área total de la superficie de la corteza cerebral y su grosor. “El cerebro de los seres humanos y de otros mamíferos comienza a plegarse durante el desarrollo embrionario”, explica Herculano-Houzel. “En el curso de ese proceso, la corteza asume la configuración más estable a medida que su superficie se dobla como respuesta a las fuerzas a las cuales se encuentra sujeta durante su desarrollo, tales como la presión del fluido cerebroespinal (o cefalorraquídeo), que lo empuja hacia afuera, y las fibras nerviosas, que tiran hacia el interior”.
Esa misma relación matemática explicaría el grado de pliegues de un bollo de papel. Una única hoja de papel, de tamaño A4, si se abolla, tendrá más dobleces que cuatro o cinco hojas abolladas juntas. Cuanto menor sea el espesor de la superficie –y cuanto mayor su área–, más se doblará bajo presión. “Eso vale para la corteza cerebral y también para las bolitas de papel”, sostiene Herculano-Houzel. Según la investigaora, ese mecanismo físico explicaría el grado de plegado de todas las cortezas cerebrales, lisas y arrugadas, incluyendo la corteza cerebral humana y las de otras especies de mamíferos, tales como el manatí, que posee una corteza grande y con pocos dobleces, y los cetáceos, cuya corteza es grande y con más pliegues que la humana. “El grado de pliegues de la corteza cerebral no tiene nada que ver con la cantidad de neuronas o con el modo en que se encuentran distribuidas en esa región, pero respeta un principio físico”, concluye.
Pliegues en formación
La ventaja de contar con una corteza con mayor cantidad de pliegues, sostiene Herculano-Houzel, sería una comunicación más eficaz entre las neuronas. “Las cortezas con mayor grosor y, por lo tanto, con una superficie más lisa, resultarían en neuronas más distantes unas de otras. Eso podría comprometer el intercambio de informaciones entre ellas”, dice.
La corteza cerebral es la principal responsable de las funciones cognitivas, tales como la atención, la memoria y el lenguaje. A pesar de que las circunvoluciones son una de sus principales características, nunca se las explicó debidamente. Muchos estudios intentaron dilucidar los mecanismos relacionados con la formación de esas depresiones (cisuras) y protuberancias y, por su intermedio, se propusieron varias hipótesis en los últimos años. En un artículo publicado en 2014 en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), un grupo de investigadores de diversas instituciones de Europa y Estados Unidos explicaba cómo consiguió reproducir en laboratorio el desarrollo cerebral y la formación de sus pliegues corticales. En el estudio, comprobaron que los pliegues serían el resultado de la interacción entre la materia blanca y la materia gris del cerebro. De acuerdo con esa interpretación, la materia gris crecería más rápido que la sustancia blanca, desencadenando la aparición de esos pliegues en la corteza.
En otro estudio, que se publicó en 2013 en la revista Physical Biology, científicos de Inglaterra y de Estados Unidos propusieron un modelo matemático en el cual el grado de pliegues de la corteza cerebral se hallaría relacionado con su expansión tangencial, mientras que las capas más profundas se desarrollarían como respuesta al estrés provocado por ese proceso. Si la corteza se expande con mayor velocidad, la longitud de las circunvoluciones cerebrales, denominadas giros, sería más corta y con más dobleces, dicen ellos. En cambio, si ese proceso fuera más lento, la longitud de esas circunvoluciones sería mayor y sus superficie más lisa.
Una mejor comprensión del desarrollo del cerebro resulta importante para entender cómo funciona el mismo y cuáles son las estrategias que adopta la naturaleza para construir un órgano tan complejo que, en el caso humano, permitió que surgiese la conciencia. El mecanismo físico propuesto por el equipo de la UFRJ suministra una explicación posible para la lisencefalia, un trastorno poco común en el desarrollo del cerebro que se caracteriza por la ausencia de circunvoluciones en la corteza cerebral. Si bien el cerebro presenta un tamaño normal, la falta de pliegues puede ocasionar la pérdida de funciones cognitivas. La lisencefalia humana se encuentra asociada a mutaciones genéticas que interfieren en la migración de las neuronas durante el desarrollo cerebral. Como consecuencia de ello, la corteza adquiere mayor grosor, algo que, según Herculano-Houzel, sería suficiente para que se formen menor cantidad de pliegues.
Para Martín Cammarota, neurocientífico del Instituto del Cerebro de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte (UFRN), el estudio de la UFRJ podría abrir nuevas perspectivas para la investigación en esa área. “El estudio es interesante, pero habría que probarlo experimentalmente”. Ése es el próximo paso anhelado por el equipo de Río de Janeiro. “Nos proponemos testear esa hipótesis analizando la formación de los pliegues en el cerebro de diferentes especies durante su desarrollo”, dice Herculano-Houzel. “A partir de esos estudios, esperamos lograr una mejor comprensión de cómo se distribuyen las neuronas en la corteza y qué factores resultan más determinantes para el aumento o pérdida de espesor y volumen”.
Artículos científicos
HERCULANO-HOUZEL, S. y MOTA, B. Cortical folding scales universally with surface area and thickness, not number of neurons. Science. v. 349, n. 6243, p. 74-7. jul. 2015.
TALLINEN, T. et al. Gyrification from constrained cortical expansion. PNAS. v. 111, n. 35, p. 12667–72. abr. 2014.
BAYLY, P. V. et al. A cortical folding model incorporating stress-dependent growth explains gyral wavelengths and stress patterns in the developing brain. Physical Biology. v. 10, n. 1. feb. 2013.
