L’estructura del cervell humà està formada per un complex entramat de connexions neuronals i la majoria comuniquen regions cerebrals veïnes entre si, que també són les més estudiades fins ara. Però un recent estudi neurocientífic de la Universitat Pompeu Fabra (UPF) i la Universitat d’Oxford, publicat per la prestigiosa revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), ha revelat que les connexions entre regions cerebrals allunyades entre elles, encara que més rares i menys freqüents, tenen un rol fonamental per explicar les dinàmiques cerebrals.
La funció que tenen aquestes connexions de llarg abast es podria assimilar a les d’un hub aeroportuari, que, amb vols de llarg abast, connecta directament diferents parts del món sense necessitat de fer un ingent nombre d’escales, que dilatarien enormement el viatge. En el cas del cervell, les connexions de llarg abast serveixen per transmetre la informació de manera més ràpida i directa entre regions allunyades entre elles (sense necessitat de passar per totes les successives regions veïnes que les separen). D’aquesta manera, s’aconsegueix un processament de la informació òptim i eficient.
Les connexions entre regions allunyades del cervell s’activen tant espontàniament en estat de repòs com en fer nombroses funcions cognitives de la nostra vida quotidiana, que ens permeten desenvolupar tasques concretes. Per exemple, per a una tasca tan simple com recordar una imatge que acabem de veure, el cervell posa en relació el lòbul frontal (que s’ocupa de la memòria de curt termini) amb el lòbul occipital, que s’ocupa de la percepció d’imatges.
La majoria dels estudis s’han centrat fins ara en les connexions de curt abast entre regions veïnes
Tot i això, la majoria de les investigacions prèvies s’han centrat en les connexions de curt abast, no només perquè són substancialment superiors en nombre, sinó també perquè han contribuït a modelar la geometria del cervell al llarg de la nostra evolució com a espècie. Si moltes de les parts del cervell estan doblegades i arrugades, és precisament a causa de successius moviments evolutius que es van encarregar d’aproximar regions veïnes i facilitar les connexions entre elles. És a dir, la pròpia geometria del cervell és un reflex de les connexions de curt rang que s’estableixen entre les seves diferents parts. Per això, l’anomenat model geomètric ha estat fins ara un dels més habituals per analitzar les dinàmiques cerebrals.
Això no obstant, el model geomètric no arriba a comprendre la complexitat de les dinàmiques del conjunt del cervell, ja que, per a això, és fonamental tenir en compte les connexions rares de llarg abast. Així ho adverteixen els investigadors de la UPF i Oxford, al recent article publicat per PNAS.
La investigació es basa en la construcció de models computacionals del cervell a gran escala que permeten explicar els mecanismes subjacents a la dinàmica cerebral. Així, els autors han demostrat que, quan el model inclou les connexions de curt i llarg abast, es pot conèixer millor la complexitat funcional del cervell humà. Supera així les limitacions dels models geomètrics -basats en les connexions de curt abast entre regions veïnes- per explicar les dinàmiques espaciotemporals que es produeixen en el conjunt del cervell, més enllà del funcionament de regions específiques.
L’autor principal de l’article difós per PNAS, Jakub Vohryzek (UPF) assegura: “Explicar com l’estructura del cervell dona lloc a les dinàmiques que n’emergeixen és una de les principals tasques de la neurociència. Volíem descobrir quines eren les principals limitacions de la configuració de les funcions cerebrals. Recentment, la connectivitat i la geometria del cervell han esdevingut dues característiques importants de l’arquitectura del cervell. El nostre estudi unifica aquests principis i amplia les troballes anteriors perquè considera la connectivitat excepcional de llarg abast com la característica definitòria que dona forma a la cognició del cervell humà”. Vohryzek és actualment investigador del grup de Neurociència Computacional del Centre de Cervell i Cognició (CBC) de la UPF, dirigit pel catedràtic Gustavo Deco, investigador principal del recent estudi, juntament amb Morten L. Kringelbach (Universitat d’Oxford), que va dirigir la tesi doctoral de Vohryzek.
Aquest estudi s’ha realitzat a partir de dades de l’activitat cerebral de 255 persones joves en bones condicions de salut, obtingudes amb ressonàncies magnètiques, quan feien tasques concretes o en estat de repòs. S’han extret de la base de dades de Human Connectome Project, on neurocientífics de tot el món comparteixen resultats i informacions referents a investigacions sobre connexions cerebrals.
Una línia de recerca que pot aportar noves pistes sobre l’evolució de les espècies
A partir dels resultats d’aquest estudi, es poden obrir noves línies de recerca que permetin conèixer millor les causes de diversos trastorns neuropsiquiàtrics, que poden estar relacionats amb les disfuncions de les connexions de llarg abast. L’estudi també obre la porta a conèixer amb més detall les diferències entre el cervell humà i altres animals, i a aportar noves pistes sobre el procés d’evolució de les espècies. Per exemple, la continuïtat d’aquesta línia de recerca podria esclarir com es va conformar el cervell de l’homo sapiens i es va diferenciar d’altres espècies, com els simis, amb què compartim avantpassats comuns.
En aquest sentit, Gustavo Deco, director del grup de Neurociència Computacional del CBC de la UPF, conclou: «Aquesta investigació no només avança en la comprensió de com l’anatomia del cervell sustenta la seva dinàmica, sinó que també explora les contribucions úniques de les connexions rares de llarg abast. Això planteja que és possible que les connexions estructurals de llarg abast del cervell, que juguen un rol crític en el processament urgent d’informació, puguin haver estat modelades per pressions evolutives, tot permetent el sorgiment de funcions cognitives complexes. La dinàmica evolutiva podria haver refinat aquestes connexions per permetre capacitats cognitives superiors. Això planteja interessants perspectives per a futurs estudis comparatius entre espècies per dilucidar aquests desenvolupaments”.
Article de referència:
J. Vohryzek, Y. Sanz-Perl, ML Kringelbach, G. Deco, Human brain dynamics són shaped per rares llargues connections per a sota cortical geometry, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 122 (1) e2415102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2415102122 (2025).