Cómo funciona el cerebro: neuronas, regiones y la mente

El cerebro humano pesa alrededor de 1,4 kg — aproximadamente la densidad de un tofu firme — y sin embargo dirige el sistema de procesamiento de información más complejo de la Tierra. Contiene aproximadamente 86.000 millones de neuronas, cada una conectada a miles de otras, formando una red con un estimado de 100 billones de puntos de conexión. Esa red consume el 20% de la energía total de tu cuerpo, nunca se apaga por completo y se reconfigura físicamente cada vez que aprendes algo nuevo. Entender cómo hace todo eso comienza en la escala más pequeña: una sola célula.

Qué hace realmente una neurona

Neurona — una célula especializada que transmite información en forma de señales eléctricas y químicas. Las neuronas son las unidades computacionales básicas del cerebro y el sistema nervioso.

Una neurona no se parece en nada a una célula típica. Tiene un cuerpo central (el soma), un largo cable de salida llamado axón y un denso árbol de ramas receptoras llamadas dendritas. Las dendritas recogen las señales entrantes de otras neuronas; el soma integra esas señales; y si en conjunto cruzan un umbral de voltaje, el axón dispara un pulso electroquímico llamado potencial de acción — un impulso de actividad eléctrica de todo o nada que viaja por el axón a velocidades de hasta 120 metros por segundo (aproximadamente 430 km/h).

La señal no salta directamente de una neurona a la siguiente. Cruza un pequeño espacio llamado sinapsis (típicamente de 20-40 nanómetros de ancho) al desencadenar la liberación de mensajeros químicos llamados neurotransmisores. El glutamato excita a la neurona receptora; el GABA la inhibe; la dopamina, la serotonina, la acetilcolina y decenas de otros modulan cómo responden las neuronas a las señales subsiguientes. El cerebro no es principalmente eléctrico: es químico en cada unión que importa.

Fuente: Kandel et al., Principles of Neural Science, 6.ª edición (2021) — Descripción exhaustiva de la estructura neuronal, la generación del potencial de acción y los mecanismos de transmisión sináptica.

La cifra de 86.000 millones proviene de un meticuloso estudio de 2009 de la neurocientífica brasileña Suzana Herculano-Houzel, quien disolvió cerebros humanos en una especie de sopa celular y contó núcleos en lugar de intentar visualizar neuronas in situ — un método que corrigió décadas de estimaciones que habían situado el recuento en 100.000 millones. Pero las neuronas no están solas. El cerebro contiene aproximadamente un número igual de células gliales (astrocitos, oligodendrocitos, microglía), que soportan, aíslan y mantienen a las neuronas, eliminan desechos y regulan el flujo sanguíneo. Durante mucho tiempo descartada como mero andamiaje, ahora se entiende que la glía moldea activamente la señalización neuronal.

Fuente: Herculano-Houzel, S., The Journal of Comparative Neurology (2009) — El método de fraccionamiento isotrópico establece aproximadamente 86.000 millones de neuronas y 85.000 millones de células no neuronales en el cerebro humano adulto.

El presupuesto energético: por qué tu cerebro nunca se apaga

El cerebro es metabólicamente voraz. Representa aproximadamente el 2% del peso corporal adulto, pero consume alrededor del 20% de la energía en reposo del cuerpo — el equivalente a mantener encendida continuamente una bombilla de 12 vatios. Casi toda esa energía proviene de la glucosa, que las neuronas no pueden almacenar. Cualquier interrupción de la glucosa en sangre durante más de unos minutos causa pérdida de conciencia; unos minutos más y las neuronas comienzan a morir.

¿A dónde va la energía? En la corteza cerebral, aproximadamente el 75% del presupuesto energético del cerebro se destina a la señalización — disparar potenciales de acción, bombear iones de vuelta a través de las membranas para restablecerse tras cada impulso, y reciclar neurotransmisores en las sinapsis. El ~25% restante mantiene la supervivencia básica de las células. Las bombas de iones (específicamente la ATPasa sodio-potasio) son el mayor consumidor individual: cada potencial de acción altera ligeramente el equilibrio iónico a través de la membrana celular, y la bomba tiene que gastar ATP para corregirlo.

Fuente: Attwell, D. & Laughlin, S.B., Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism (2001) — Análisis cuantitativo del presupuesto energético del cerebro en roedores, extrapolado a humanos; establece la señalización como el mayor consumidor de energía.

Fuente: BrainFacts.org / Society for Neuroscience (2019) — "How Much Energy Does the Brain Use?" — confirma la cifra del 20% de consumo energético para el cerebro humano en reposo.

Fundamentalmente, el cerebro usa casi tanta energía durante el sueño como durante la vigilia. La idea de "descansar" el cerebro por la noche es un error popular. Durante el sueño, particularmente en las fases de ondas lentas y REM, el cerebro está consolidando activamente los recuerdos, podando sinapsis débiles y — a través del sistema glinfático — eliminando productos de desecho metabólico, incluida la beta-amiloide, la proteína asociada con el Alzheimer. El sueño no es tiempo muerto; es mantenimiento. Para un análisis más profundo de la relación entre el sueño y el cerebro, consulta Why We Sleep: The Science.

Las regiones principales y qué manejan

El cerebro no es una masa homogénea. La evolución fue superponiendo estructura sobre estructura durante cientos de millones de años, y el resultado es un conjunto de regiones especializadas que se comunican constantemente pero manejan operaciones distintas.

Región	Ubicación	Funciones principales
Corteza cerebral	Capa más externa	Pensamiento, lenguaje, percepción, movimiento voluntario
Corteza prefrontal	Frente de la corteza	Planificación, toma de decisiones, control de impulsos
Hipocampo	Lóbulo temporal medial	Formación de nuevos recuerdos a largo plazo, navegación espacial
Amígdala	Lóbulo temporal medial	Procesamiento emocional, detección de amenazas, miedo
Cerebelo	Base posterior del cerebro	Coordinación motora fina, equilibrio, sincronización
Tronco encefálico	Base, conecta con la médula espinal	Respiración, ritmo cardíaco, transiciones sueño-vigilia
Tálamo	Centro de relevo central	Enruta señales sensoriales a las áreas corticales adecuadas
Ganglios basales	Profundo bajo la corteza	Control motor, formación de hábitos, procesamiento de recompensas

La corteza cerebral — la capa externa profundamente arrugada — se divide en cuatro lóbulos. El lóbulo frontal maneja la función ejecutiva y el movimiento voluntario; el lóbulo parietal procesa el tacto y la conciencia espacial; el lóbulo occipital maneja la visión; el lóbulo temporal maneja la audición y la comprensión del lenguaje. El arrugamiento (llamado girificación) es una solución evolutiva a un problema de empaquetamiento: una corteza lisa del tamaño de la humana no cabría dentro de un cráneo humano. Los pliegues aumentan la superficie a aproximadamente 2.500 cm² (aproximadamente el tamaño de una página de un periódico de formato grande) mientras caben dentro de un cráneo con un volumen de aproximadamente 1.400 mL.

El hipocampo merece atención especial. Con forma de caballito de mar (el nombre proviene del griego), actúa como un área de retención temporal y un sistema de indexación para los nuevos recuerdos explícitos antes de que se distribuyan gradualmente a la corteza para su almacenamiento a largo plazo. Los pacientes con daño hipocampal severo, el más famoso el paciente H.M. (Henry Molaison), pueden retener recuerdos de antes del daño pero no pueden formar nuevos recuerdos a largo plazo. H.M. vivió el mismo día, todos los días, desde la perspectiva de la formación de nuevos recuerdos, durante los últimos 55 años de su vida. El hipocampo también se trata con mayor profundidad en How Memory Works in the Brain.

Fuente: Scoville, W.B. & Milner, B., Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry (1957) — Estudio de caso emblemático del paciente H.M. tras una hipocampectomía bilateral, que estableció al hipocampo como esencial para la formación de nuevos recuerdos.

Cómo se comunican las neuronas: la sinapsis en detalle

La sinapsis es donde realmente ocurre el cómputo. Cuando un potencial de acción llega a la terminal del axón, desencadena la apertura de canales de calcio dependientes de voltaje. Los iones de calcio entran en tromba, haciendo que las vesículas (pequeñas burbujas de membrana) cargadas de moléculas neurotransmisoras se fusionen con la membrana celular y liberen su contenido en la hendidura sináptica. Los neurotransmisores se desplazan por el espacio de 20-40 nm y se unen a proteínas receptoras en la dendrita receptora, que pueden abrir canales iónicos o desencadenar cascadas de señalización internas.

Piensa en la sinapsis como un sistema químico de llave y cerradura que funciona a velocidad de milisegundos: el neurotransmisor es la llave, el receptor es la cerradura, y abrir la cerradura ayuda o dificulta que la siguiente neurona se dispare. Cada neurona integra cientos o miles de estas señales simultáneamente, sumando las entradas excitatorias e inhibitorias a lo largo de su árbol dendrítico y disparándose solo si la despolarización neta en el soma alcanza el umbral (aproximadamente -55 milivoltios desde un potencial de reposo de unos -70 mV).

La fuerza de una sinapsis no es fija. Puede potenciarse (fortalecerse) o deprimirse (debilitarse) según la frecuencia y la recencia con que se haya usado. Esta propiedad — la plasticidad sináptica — es el sustrato físico del aprendizaje y la memoria, y se explora extensamente en el contexto de la formación de la memoria en How Memory Works in the Brain.

Fuente: Bhatt, D.L. et al., Neuron (2009) — Revisa los mecanismos de plasticidad sináptica, incluida la potenciación a largo plazo y la depresión a largo plazo, como base celular del aprendizaje.

Neuroplasticidad: el cerebro que se reconfigura a sí mismo

Durante la mayor parte del siglo XX, el consenso científico sostenía que el cerebro humano adulto era esencialmente fijo — las neuronas con las que naciste, sin reemplazos, sin nuevas conexiones tras una ventana crítica del desarrollo. Ese consenso estaba equivocado.

Neuroplasticidad — la capacidad del cerebro de reorganizarse formando nuevas conexiones neuronales y podando otras en respuesta a la experiencia, el aprendizaje o una lesión.

La evidencia de la neuroplasticidad adulta es hoy abrumadora. Los taxistas de Londres — que deben memorizar una enorme red de calles llamada "The Knowledge" — muestran hipocampos posteriores medibles agrandados en comparación con quienes no conducen, con el agrandamiento correlacionado con los años de experiencia como conductor. Los músicos que practican instrumentos de cuerda desarrollan representaciones corticales ampliadas para los dedos de su mano izquierda. Los pacientes que han sufrido un ictus pueden recuperar la función motora o del lenguaje perdida a medida que las áreas corticales vecinas asumen el papel de las regiones dañadas.

Fuente: Maguire, E.A. et al., PNAS (2000) — Estudio de resonancia magnética estructural que muestra un volumen hipocampal posterior significativamente mayor en taxistas de Londres en comparación con controles, correlacionado con la experiencia de navegación.

A nivel celular, la neuroplasticidad opera a través de varios mecanismos. Nuevas espinas sinápticas (las pequeñas protuberancias en las dendritas que reciben la entrada sináptica) pueden crecer en cuestión de horas tras el aprendizaje. Las sinapsis existentes cambian de fuerza mediante la potenciación a largo plazo (LTP) — el mecanismo por el cual la activación repetida de una sinapsis la hace más fuerte y receptiva. El receptor NMDA es el disparador molecular: actúa como un detector de coincidencias, abriéndose solo cuando la neurona receptora ya está parcialmente despolarizada Y la neurona presináptica se dispara — capturando el principio de "las neuronas que se disparan juntas, se conectan juntas" formalizado por Donald Hebb en 1949.

También existe la neurogénesis — el nacimiento de nuevas neuronas — en el cerebro adulto, aunque parece limitada a unas pocas regiones. El sitio más estudiado es el giro dentado del hipocampo, donde se generan nuevas neuronas durante toda la adultez y parecen desempeñar un papel en la separación de patrones (distinguir recuerdos similares entre sí).

Fuente: Gage, F.H., Science (2002) — Revisión de la evidencia de neurogénesis adulta en mamíferos, que confirma la producción continua de neuronas en el hipocampo adulto.

El mito del cerebro izquierdo / derecho (y la historia real de la lateralización)

La cultura popular insiste en una división clara: cerebro izquierdo lógico, cerebro derecho creativo. La realidad es considerablemente más matizada.

El cerebro sí exhibe lateralización — ciertas funciones son manejadas predominantemente por un hemisferio. La producción del lenguaje (área de Broca) y la comprensión del lenguaje (área de Wernicke) se ubican en el hemisferio izquierdo en aproximadamente el 95% de las personas diestras y alrededor del 70% de las zurdas. El hemisferio derecho tiende a manejar el procesamiento espacial global y ciertos aspectos de la prosodia emocional (leer el tono en el habla).

Pero esto no significa que los hemisferios operen de forma independiente. Los dos hemisferios están conectados por un enorme haz de alrededor de 200-250 millones de axones llamado cuerpo calloso, que pasa información entre ellos constantemente. Los pacientes de cerebro dividido — cuyo cuerpo calloso fue seccionado quirúrgicamente para tratar epilepsia intratable — muestran disociaciones sorprendentes solo bajo condiciones experimentales altamente artificiales. En la vida diaria normal, los dos hemisferios funcionan como un solo sistema.

Fuente: Gazzaniga, M.S., Nature Reviews Neuroscience (2005) — Revisión de la investigación sobre cerebro dividido y lateralización; argumenta que la especialización hemisférica es real, pero que la narrativa popular de "dos cerebros separados" es una distorsión.

La narrativa de "cerebro derecho = creativo, cerebro izquierdo = analítico" se remonta a divulgaciones populares de esta investigación sobre cerebro dividido en los años 70, no a los hallazgos reales. Un estudio de resonancia magnética funcional de 2013 de Nielsen et al. analizó la conectividad en estado de reposo en más de 1.000 participantes y no encontró evidencia de que los individuos fueran fuertemente "cerebro izquierdo" o "cerebro derecho" — la conectividad de la red era aproximadamente simétrica en toda la población.

Cómo se autorregula el cerebro: retroalimentación, ritmo y atención

El cerebro no simplemente recibe información y emite órdenes. Está constantemente prediciendo, modulando y filtrando su propia actividad.

La red neuronal por defecto (DMN) es un conjunto de regiones — incluida la corteza prefrontal medial, la corteza cingulada posterior y el giro angular — que se activa cuando el cerebro no está involucrado en tareas externas enfocadas: soñar despierto, divagar mentalmente, el pensamiento autorreferencial, imaginar el futuro. Durante décadas se la trató como ruido en los datos de neuroimagen. Ahora se entiende como un sistema crítico para la cognición interna y la construcción narrativa del yo.

La atención está mediada en parte por sistemas neuromoduladores — proyecciones difusas de acetilcolina (desde el prosencéfalo basal), norepinefrina (desde el locus coeruleus) y dopamina (desde el área tegmental ventral y la sustancia negra) que en conjunto ajustan la relación señal-ruido en toda la corteza. Cuando estás muy concentrado, la norepinefrina y la acetilcolina estrechan el ancho de banda del procesamiento cortical, amplificando las señales relevantes y suprimiendo las irrelevantes. Por eso los estimulantes que potencian la norepinefrina y la dopamina (como las anfetaminas) pueden agudizar el enfoque: están secuestrando un sistema natural de control de ganancia.

El cerebro también genera oscilaciones eléctricas características a distintas frecuencias — delta (0,5-4 Hz) durante el sueño profundo, theta (4-8 Hz) durante tareas de memoria y el sueño REM, alfa (8-12 Hz) durante la vigilia relajada, beta (12-30 Hz) durante el pensamiento activo, y gamma (30-100 Hz) durante la vinculación cognitiva de alto nivel. Estos ritmos no son meramente epifenómenos; parecen coordinar la comunicación entre regiones cerebrales distantes al establecer ventanas de sincronización compartidas.

Fuente: Buzsáki, G. & Draguhn, A., Science (2004) — Revisión de las oscilaciones neuronales y su papel en la coordinación de la actividad de las redes cerebrales a gran escala.

Qué significa esto

El rasgo definitorio del cerebro no es la potencia de procesamiento bruta: es la adaptabilidad. El mismo tejido que codifica el lenguaje también aprende a navegar una ciudad, reconocer rostros, componer música y modelar los estados mentales de otras personas, todo sin una actualización de hardware, únicamente reorganizando las fuerzas de las conexiones entre una población fija de células. El costo energético del 20% es el precio de operar un sistema que nunca deja de actualizar su propio diagrama de cableado. Cada conversación que tienes, cada habilidad que practicas, cada noche de sueño que consolida las experiencias del día — todo ello cambia literalmente la estructura física de los 1,4 kg de tejido que están detrás de tus ojos.

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Sigue leyendo:

• How Memory Works in the Brain
• Why Do We Sleep: The Science
• The Hodgkin-Huxley Squid Axon Experiment

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Qué reveló la neuroimagen que la disección nunca pudo

Durante la mayor parte de la historia de la neurociencia, entender el cerebro significaba examinar tejido muerto. La disección, la tinción y la microscopía construyeron el mapa anatómico — lóbulos, núcleos, tractos — pero no podían responder a la pregunta más importante: ¿qué hace realmente cada región en una persona viva y pensante? Esa pregunta solo se abrió cuando la tecnología de imagen alcanzó a la biología, comenzando en los años 70 con la tomografía por emisión de positrones (PET) y acelerándose en los años 90 con la resonancia magnética funcional (fMRI).

Resonancia magnética funcional (fMRI) — una técnica de neuroimagen que mide la actividad cerebral indirectamente detectando cambios en la oxigenación de la sangre. Las neuronas activas consumen más oxígeno, atrayendo sangre oxigenada hacia esa área. Como la hemoglobina oxigenada y la desoxigenada tienen propiedades magnéticas diferentes, la resonancia magnética puede detectar este contraste — la señal BOLD (dependiente del nivel de oxígeno en sangre). Piénsalo como observar dónde el cerebro solicita una entrega de combustible, en lugar de observar directamente el disparo de las neuronas.

La distinción importa. La fMRI no mide la actividad neuronal directamente. Mide una respuesta vascular a esa actividad, con un retraso de 4-6 segundos tras el evento neuronal y una resolución espacial de aproximadamente 1-3 mm. Eso es extraordinariamente bueno según los estándares históricos, pero significa que los icónicos mapas cerebrales coloreados que llenan los comunicados de prensa de neurociencia muestran dónde cambió el flujo sanguíneo, promediado entre muchos sujetos y muchos segundos — no qué neuronas se dispararon. Que una región "se ilumine" significa un aumento de la demanda metabólica en esa área, no que esa área realice exclusivamente la función destacada.

La neuroimagen PET utiliza trazadores de glucosa u oxígeno marcados radiactivamente para mapear la actividad metabólica, y fue la tecnología anterior. Su ventaja es la capacidad de rastrear sistemas específicos de neurotransmisores marcando moléculas que se unen a receptores — algo que la fMRI no puede hacer. El EEG (electroencefalografía) sacrifica por completo la resolución espacial pero captura la actividad eléctrica con precisión de milisegundos, lo que la hace invaluable para estudiar la sincronización de eventos neuronales como las oscilaciones del sueño, las convulsiones y los potenciales relacionados con eventos. Las tres tecnologías son complementarias: la fMRI te dice dónde, el EEG te dice cuándo, la PET te dice qué neuroquímica.

Fuente: Logothetis, N.K., Nature (2008) — "What we can do and what we cannot do with fMRI." Análisis crítico de la relación entre la señal BOLD y la actividad neuronal subyacente; lectura esencial sobre los límites interpretativos de la fMRI.

Uno de los descubrimientos de neuroimagen más trascendentes fue completamente accidental. A principios de los años 90, el neuroimágenólogo Marcus Raichle notó que un conjunto de regiones cerebrales — incluida la corteza prefrontal medial, la corteza cingulada posterior y el giro angular — se desactivaba consistentemente cuando los sujetos realizaban tareas externas exigentes. Las regiones estaban más activas cuando los sujetos no hacían nada en particular. Raichle llamó a esto la red neuronal por defecto (DMN), y publicó la caracterización formal en 2001. Durante décadas antes, esta actividad había sido descartada como ruido experimental. Resultó ser una de las redes metabólicamente más costosas del cerebro, y ahora se entiende que sostiene el pensamiento autorreferencial, el viaje mental en el tiempo (imaginar el pasado y el futuro) y la cognición social — la "vida interior" del cerebro que se ejecuta debajo de cada tarea enfocada.

La ambición de mapear cada conexión del cerebro humano — no solo sus regiones — produjo la conectómica: el proyecto de reconstruir el diagrama completo de cableado del tejido neuronal. El Human Connectome Project, lanzado en 2010 con financiación de los NIH, usó resonancia magnética de difusión de alta resolución para mapear los principales tractos de fibra de sustancia blanca que conectan regiones corticales y subcorticales en 1.200 adultos sanos. La resonancia magnética de difusión rastrea la dirección preferente del movimiento del agua a través del tejido; en los haces de axones mielinizados, el agua se mueve preferentemente a lo largo de la dirección de la fibra, revelando la trayectoria del tracto. El resultado no es un diagrama de circuitos a nivel de sinapsis — ese nivel de resolución requiere microscopía electrónica y actualmente solo es factible para milímetros cúbicos de tejido — sino un atlas de conectividad a macroescala que reveló cuán estrechamente están interconectados centros como la corteza prefrontal y la cingulada posterior con casi todo lo demás.

Fuente: Van Essen, D.C. et al., NeuroImage (2013) — Visión general del Human Connectome Project; metodología, tipos de datos y objetivos científicos para mapear la conectividad cerebral humana a gran escala.

Los límites interpretativos de estos métodos son reales y vale la pena conocerlos. El problema de la "inferencia inversa" — ver actividad en la amígdala y concluir "el sujeto sintió miedo" — solo es válido si la amígdala se activa exclusivamente para el miedo, lo cual no es el caso. También responde a la novedad, la recompensa y los estímulos sociales positivos. La cobertura de divulgación científica comete este error rutinariamente. Lo que la neuroimagen ha establecido genuinamente es un conjunto de asociaciones probabilísticas entre regiones y procesos cognitivos, refinadas a lo largo de miles de estudios y sujetas a los mismos desafíos de replicación estadística que cualquier otro campo. El mapa es mucho más detallado que cualquier cosa que la disección haya podido proporcionar — y mucho menos certero de lo que sugiere una mirada casual a una imagen de resonancia cerebral.

Q: ¿Cuántas neuronas tiene realmente el cerebro humano? A: Aproximadamente 86.000 millones, basado en el método de fraccionamiento isotrópico desarrollado por Suzana Herculano-Houzel en 2009. Las estimaciones anteriores de 100.000 millones se basaban en extrapolación en lugar de conteo directo.

Q: ¿Por qué el cerebro usa tanta energía? A: Aproximadamente el 75% de la energía del cerebro se destina a la señalización — disparar potenciales de acción y restablecer los gradientes iónicos tras cada impulso. Las bombas de iones (especialmente la ATPasa sodio-potasio) son las mayores consumidoras porque cada potencial de acción altera parcialmente el equilibrio de voltaje de la membrana, que debe restaurarse continuamente.

Q: ¿Puede el cerebro adulto generar nuevas neuronas? A: Sí, en regiones limitadas. El giro dentado del hipocampo genera nuevas neuronas durante toda la adultez en un proceso llamado neurogénesis. Si esto ocurre a tasas significativas en otras regiones del cerebro humano sigue siendo una pregunta de investigación activa.

Q: ¿Qué es la neuroplasticidad en términos simples? A: La neuroplasticidad es la capacidad del cerebro de reorganizarse físicamente a sí mismo — fortaleciendo las conexiones usadas, podando las no utilizadas y, en algunos casos, creando nuevas — en respuesta al aprendizaje, la experiencia o una lesión.

Q: ¿Es real la división entre cerebro izquierdo y derecho? A: En parte. Ciertas funciones (especialmente el lenguaje) están lateralizadas, es decir, son manejadas predominantemente por un hemisferio. Pero los dos hemisferios se comunican constantemente a través del cuerpo calloso y funcionan como un solo sistema integrado. La idea de que las personas son "cerebro izquierdo" o "cerebro derecho" en cuanto a personalidad no tiene apoyo en los datos de neuroimagen.

Q: ¿Qué tan rápido viajan las señales en el cerebro? A: Depende del tipo de neurona. Los axones no mielinizados conducen a aproximadamente 0,5-2 metros por segundo. Los axones fuertemente mielinizados (aislados con una vaina grasa que acelera la transmisión) pueden alcanzar 70-120 m/s. La mielinización es la razón por la que la sustancia blanca — los haces de cableado del cerebro — aparece blanca.