Un estudio de la UPF y Oxford determina que las conexiones de larga distancia entre regiones cerebrales son escasas pero esenciales para agilizar la transmisión de información

La estructura del cerebro humano está formada por un complejo entramado de conexiones neuronales y la mayoría de ellas comunican regiones cerebrales vecinas entre sí, que también son las más estudiadas hasta ahora. Pero un reciente estudio neurocientífico de la Universidad Pompeu Fabra (UPF) y la Universidad de Oxford, publicado por la prestigiosa revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), ha revelado que las conexiones entre regiones cerebrales alejadas entre ellas, aunque más raras y menos frecuentes, tienen un rol fundamental para explicar las dinámicas cerebrales.

La función que tienen estas conexiones de largo alcance se podría asimilar a las de un hub aeroportuario, que, con vuelos de largo alcance, conecta directamente distintas partes del mundo sin necesidad de hacer un ingente número de escalas, que dilatarían enormemente el viaje. En el caso del cerebro, las conexiones de largo alcance sirven para transmitir la información de forma más rápida y directa entre regiones alejadas entre ellas (sin necesidad de pasar por todas las sucesivas regiones vecinas que las separan). De esta manera, se logra un procesamiento óptimo y eficiente de la información.

Las conexiones entre regiones lejanas del cerebro se activan tanto espontáneamente en estado de reposo como al realizar numerosas funciones cognitivas de nuestra vida cotidiana, que nos permiten desarrollar tareas concretas. Por ejemplo, para algo tan simple como recordar una imagen que acabamos de ver, el cerebro pone en relación el lóbulo frontal (que se ocupa de la memoria de corto alcance) con el lóbulo occipital, que se ocupa de la percepción de imágenes.

La mayoría de los estudios se han centrado hasta ahora en las conexiones de corto alcance entre regiones vecinas

A pesar de ello, la mayoría de las investigaciones previas se han centrado en las conexiones de corto alcance, no solo porque son sustancialmente superiores en número, sino también porque han contribuido a modelar la geometría del cerebro a lo largo de nuestra evolución como especie. Si muchas de las partes del cerebro están dobladas y arrugadas es precisamente debido a sucesivos movimientos evolutivos que se encargaron de aproximar regiones vecinas y facilitar las conexiones entre ellas. Es decir, la propia geometría del cerebro es un reflejo de las conexiones de corto rango que se establecen entre sus distintas partes. De ahí, que el denominado modelo geométrico haya sido hasta ahora uno de los más habituales para analizar las dinámicas cerebrales. 

No obstante, el modelo geométrico no alcanza a comprender la complejidad de las dinámicas del conjunto del cerebro, para lo cual es fundamental tener en cuenta las conexiones raras de largo alcance. Así lo advierten los investigadores de la UPF y Oxford, en el reciente artículo publicado por PNAS.

La investigación se basa en la construcción de modelos computacionales del cerebro a gran escala que permiten explicar los mecanismos que subyacen a la dinámica cerebral. De esta forma, los autores han demostrado que cuando el modelo incluye las conexiones de corto y largo alcance se puede conocer mejor la complejidad funcional del cerebro humano. Supera así las limitaciones de los modelos geométricos -basados en las conexiones de corto alcance entre regiones vecinas- para explicar las dinámicas espacio-temporales que se dan en el conjunto del cerebro, más allá del funcionamiento de regiones específicas.

El autor principal del artículo difundido por PNAS, Jakub Vohryzek (UPF) asegura:  “Explicar cómo la estructura del cerebro da lugar a las dinámicas que emergen de ella es una de las principales tareas de la neurociencia. Queríamos descubrir cuáles eran las principales limitaciones de la configuración de las funciones cerebrales. Recientemente, la conectividad y la geometría del cerebro se han convertido en dos características importantes de la arquitectura del cerebro. Nuestro estudio unifica estos principios y amplía los hallazgos anteriores al considerar la conectividad excepcional de largo alcance como la característica definitoria que da forma a la cognición del cerebro humano”. Vohryzek es actualmente investigador del grupo de Neurociencia Computacional del Centro de Cerebro y Cognición (CBC) de la UPF, dirigido por el catedrático Gustavo Deco, investigador principal del reciente estudio, junto con Morten L. Kringelbach (Universidad de Oxford), quien dirigió la tesis doctoral de Vohryzek.

Este estudio se ha realizado a partir de datos de la actividad cerebral de 255 personas jóvenes en buenas condiciones de salud, obtenidos con resonancias magnéticas, cuando realizaban tareas concretas o en estado de reposo. Se han extraído de la base de datos de Human Connectome Project, donde neurocientíficos de todo el mundo comparten resultados e informaciones referentes a investigaciones sobre conexiones cerebrales.

Una línea de investigación que puede arrojar luz sobre la evolución de las especies

A partir de los resultados de este estudio, se pueden abrir nuevas líneas de investigación que permitan conocer mejor las causas de diversos trastornos neuropsiquiátricos, que pueden estar relacionados con disfunciones de las conexiones de largo alcance. El estudio también abre la puerta a conocer con más detalle las diferencias entre el cerebro humano y de otros animales, y a aportar nuevas pistas sobre el proceso de evolución de las especies. Por ejemplo, la continuidad de esta línea de investigación podría arrojar luz sobre cómo se conformó el cerebro del homo sapiens y se diferenció de otras especies, como los simios, con las que compartimos antepasados comunes.

En este sentido, Gustavo Deco, director del grupo de Neurociencia Computacional del CBC de la UPF, concluye: "Esta investigación no sólo avanza en la comprensión de cómo la anatomía del cerebro sustenta su dinámica, sino que también explora las contribuciones únicas de las conexiones raras de largo alcance. Esto plantea que es posible que las conexiones estructurales de largo alcance del cerebro, que juegan un rol crítico en el procesamiento urgente de información, puedan haber sido moldeadas por presiones evolutivas, permitiendo el surgimiento de funciones cognitivas complejas. La dinámica evolutiva podría haber refinado estas conexiones para permitir capacidades cognitivas superiores. Esto plantea interesantes perspectivas para futuros estudios comparativos entre especies para dilucidar estos desarrollos".

Artículo de referencia:

J. Vohryzek, Y. Sanz-Perl, M.L. Kringelbach, G. Deco, Human brain dynamics are shaped by rare long-range connections over and above cortical geometry, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (1) e2415102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2415102122 (2025).