Un cerebro de origami

Artículo y traducción de Elena Vicario

Origami (del japonés “ori” que significa doblar y “kami” que significa papel) es el arte de doblar papel.

Un cerebro y una hoja de papel no parece que tengan mucho en común, pero cuando arrugas una hoja formando una bola de papel estás ayudando a desvelar uno de los misterios del desarrollo del cerebro – cómo nuestro cerebro desarrolla sus característicos pliegues. En este post vamos a hablar del arte de doblar el cerebro.

Si alguna vez has visto una foto de un cerebro humano, te habrás dado cuenta de cómo de arrugada es su superficie. ¿De qué va esto? Para entender los pliegues y arrugas, primero tenemos que presentar la corteza cerebral. La corteza cerebral es la capa del cerebro más superficial compuesta por neuronas y que contiene estos pliegues. Aunque solo mide unos milímetros de grosor, si desdobláramos la corteza de nuestros cerebros… ¡mediría lo mismo que una página de un periódico!

Muchos científicos creen que la razón por la que tenemos este cerebro arrugado es debido a la evolución – los cerebros se plegaron para hacer caber un gran corteza, que se expandía para acomodar todas nuestras funciones cerebrales superiores, sin tener una cabeza gigante. Un cerebro con pliegues equivale a una mayor superficie, lo que a la vez significa un mayor poder para recibir y procesar información. Estas características, por eso, no son específicas de los cerebros humanos; otros mamíferos como los delfines, los elefantes o los monos también tienen pliegues muy elaborados (Figura 1).

Figura 1. Los cerebros de distintas especies de mamíferos muestran diferentes patrones de pliegues en su corteza cerebral.

En general, los cerebros más lisos los encontramos en especies de menor tamaño mientras que los cerebros con muchos pliegues se encuentran en especies grandes. Por ejemplo, mamíferos pequeños como el ratón o la rata no tienen casi pliegues corticales. Así, durante un tiempo se creyó que cuanto más grande fuera un cerebro más pliegues tendría. Sin embargo, esto se descartó al observar que especies como los delfines, que tienen unos cerebros muy parecidos al tamaño del cerebro humano, ¡tienen dos veces el número de pliegues que nosotros! Otra posibilidad es que cuantas más neuronas tenga un cerebro, más se pliega. Paradójicamente, las cortezas de los humanos tienen tres veces más neuronas que los elefantes pero muchos menos pliegues. Vaya, que no está muy claro todavía cuáles son los mecanismos detrás de estos pliegues y por qué existen tantas diferencias entre especies. Pero, vamos a empezar por el principio – rebobinemos hasta el momento en el que nuestros cerebros empiezan a formarse.

La formación de pliegues o girificación

La girificación es el proceso del desarrollo por el cual se forman los giros y surcos (las elevaciones y las hendiduras respectivamente) en el corteza cerebral. Hasta la semana 20 del desarrollo del feto, nuestro cerebro es muy liso. Solamente entonces, la corteza experimenta una gran expansión debido a un incremento inmenso del número de células del cerebro. Como consecuencia, aparecen los primeros giros y surcos, los cuales se alargan y ramifican, hasta dar lugar al complejo patrón de pliegues que se ve al nacer (Figura 2) [2,3]. Los científicos creen que una molécula llamada Trnp1 podría ser la responsable de esta expansión y del desarrollo de los pliegues en la corteza cerebral [4].

Figura 2. Girificación del cerebro humano durante la segunda mitad de la gestación. GW: gestation week (semana de gestación)

Aunque algunos pliegues pueden desarrollarse después del nacimiento, nacemos aproximadamente con todos los pliegues que permanecerán con nosotros de por vida. Los cerebros humanos no son exactamente idénticos los unos de los otros, pero todos debemos tener los mismos grandes pliegues para estar sanos. Todos estos grandes pliegues (y algunos no tan grandes) tienen nombres individuales, que son sin duda alguna una pesadilla para cualquier estudiante de neuroanatomía!

¿Qué ocurre cuando nuestro cerebro no se dobla como debería?

Existen dos trastornos del desarrollo que se caracterizan por un pliegue anormal de los cerebros antes del nacimiento: la polimicrogiria y la lisencefalia. En la polimicrogiria, que literalmente significa muchos (poli-) pequeños (-micro-) pliegues (-giria), la superfície del cerebro desarrolla demasiados pliegues y son además demasiado pequeños. Puede afectar solamente a una región del cerebro o al cerebro entero. Los síntomas dependen en gran medida de la extensión del cerebro afectada y de cuáles sean las áreas afectadas, pero algunos síntomas comunes son epilepsia, dificultad al hablar o masticar y un retraso intelectual de medio a severo.

En la parte opuesta del espectro está la lisencefalia o cerebro liso, del griego “lissos” que significa liso y “enkaphalos” que significa cerebro. La lisenceflalia es un trastorno poco frecuente que se caracteriza por la ausencia de pliegues en el cerebro. Los niños con lisencefalia normalmente tienen un retraso mental severo y una esperanza de vida corta [5,6].

Figura 3. Imágenes de resonancia magnetica de un cerebro normal, uno con lisencefalia y uno con polimicrogiria respectivamente.

Aparte de estas enfermedades, algunos estudios han visto que pequeños cambios o diferencias en los patrones de pliegues en la corteza cerebral pueden estar asociados a trastornos como la esquizofrenia, el autismo o la anorexia nerviosa. Además, ha habido intentos de asociar algunos patrones de pliegues inusuales con funciones cognitivas excepcionales, siendo el caso del cerebro de Einstein uno de los más famosos. [5]

Cómo el cerebro se dobla es pura física

No sabemos realmente cómo los pliegues ocurren o cuáles son las fuerzas que los causan. Sin embargo, dos estudios recientes podrían aportar un poco de luz al asunto. Según estos estudios, que el cerebro se pliegue o no es pura física.

Volvamos al ejemplo del principio con la bola de papel. Resulta que el cerebro de los mamíferos se pliega igual que cualquier hoja de papel, siguiendo los mismos principios físicos. Según el modelo de la bola de papel, los pliegues aumentan cuanto más grande es el papel y disminuyen cuanto más grueso es. Las mismas normas se pueden aplicar al pliegue de nuestras cortezas – el grueso de nuestra corteza así como la superficie son factores muy importantes. De hecho, trastornos como la polimicrogiria o la lisencefalia están caracterizados por diferencias en el grosor de la corteza cerebral.

Cuando le aplicamos una fuerza externa (nuestras manos), la hoja de papel se arruga y se queda en una forma que minimiza su energía. En nuestros cerebros, las fuerzas pueden provenir del líquido cefalorraquídeo que empuja desde fuera, de las neuronas que forman el cerebro a medida que se expanden o de neuronas altamente conectadas cuyos axones las empujan mecánicamente cerca las unas de las otras. Pero como ocurre con el papel, la corteza simplemente busca la mejor configuración que requiera la menor cantidad de energía. Curiosamente, esta configuración óptima puede diferir entre especies [7].

Aunque el modelo del papel arrugado nos ayuda a entender el concepto, una bola de papel no se parece en nada a un cerebro humano. Más investigación en esta área llevó a los científicos a reproducir la forma arrugada del cerebro humano usando un modelo de gel en tres dimensiones. Hicieron una réplica del cerebro fetal cuando todavía es liso usando imágenes de resonancia magnética y lo recubrieron de una segunda capa de gel más fina (como análogo a la corteza). El cerebro de gel se sumergió en un recipiente con un disolvente que es absorbido por la capa más externa, haciendo que se expanda (cosa que mimetiza la expansión cortical durante el desarrollo). La capa más externa crece más rápido y se arruga y pliega en sí misma, revelando una forma muy familiar [3]. ¡Parece un cerebro de verdad!

En resumen, el número, el tamaño, la posición y las conexiones de las neuronas durante la formación del cerebro conllevan una gran expansión del corteza cerebral en relación a las estructuras subyacentes. Esta expansión así como una serie de fuerzas físicas causan una inestabilidad y provocan que la corteza se doble para encontrar el mejor estado energético. Los nuevos avances para entender los pliegues de la corteza cerebral parecen prometedores para aprender más sobre enfermedades en las que el cerebro se dobla de forma inusual. Finalmente, si quieres probar tu propio ejercicio de doblar el cerebro, ¡inténtalo con este cerebro de origami!

Referencias:

1. Toro R. On the possible shapes of the brain. (2012). Evolutionary Biology, 39 (4), 600-612.
2. White T., Su S., Schmidt, M., Kao, CY., and Sapiro G. The development of gyrification in childhood and adolescence. (2010). Brain cognition, 72 (1): 36-55.
3. Tallinen T., Chung JY., Rousseau F., Girard N., Lefèvre J. and Mahadevan L. (2016). On the growth and form of cortical convolutions. Nature Physics, 12, 588-593.
4. Stahl R., Walcher T., De Juan Romero C., Pilz GA., Cappello S., Irmler M., Sanz-Aquela JM., Beckers J., Blum R., Borell V., and Götz M. (2013) Trnp1 regulates expansion and folindg of the mammalian cerebral cortex by control of radial glial fate. Cell, 153 (3), 535-49.
5. Sun T., and Hevner RF. Growth and folding of the mammalian cortex: from molecules to malformations. (2014). Nature Reviews Neuroscience, 15, 217-232.
6. Barkovich, AJ. Current concepts of polymicrogyria (2010). Neuroradiology, 52 (6), 479-487.
7. Mota B. and Herculano-Houzel S. Cortical folding scales universally with surface area and thickness, not number of neurons (2015). Science,  349 (6243), 74-77.