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El cerebro se divide en dos hemisferios, cada uno de estos tiene funciones específicas; algunas funciones tienen sus mecanismos neuronales localizados en una de las dos mitades. En los humanos, la función más obvia es la del habla y el lenguaje, la mayoría tienen en el hemisferio izquierdo estas funciones, contrario a los zurdos en las cuales se ubican en el hemisferio derecho.
Al hemisferio cerebral derecho se le atribuyen las habilidades espaciales y visuales (por ejemplo, la facultad de imaginar en el interior figuras y formas) la creatividad, las emociones, la capacidad de síntesis y el talento artístico, mientras que al hemisferio cerebral izquierdo, el lenguaje, la escritura, el pensamiento analítico y la lógica.
El neurólogo Exuperio Diez Tejedor, del hospital español universitario La Paz dice que "lo más habitual es que el hemisferio izquierdo, donde están las áreas del lenguaje y del reconocimiento visual, entre otras, sea el dominante". En el mismo artículo nos dice que "no se puede pensar que el cerebro de un zurdo sea una fotocopia del de un diestro, simplemente con las funciones invertidas. No es el espejo de un diestro. Los zurdos no tienen tan marcada la dominación hemisférica, a veces está dividida entre los dos hemisferios, a veces domina el derecho. El reparto no se opone completamente al que se da en el cerebro de un diestro; las funciones se entremezclan. Y esto, en caso de sufrir una lesión cerebral, puede resultar una ventaja, ya que como las funciones están más distribu;idas entre los dos hemisferios, los zurdos tienen menos problemas".
El lenguaje, por ejemplo, es una habilidad localizada en el hemisferio izquierdo. Durante mucho tiempo se pensó que el dominio del lenguaje influía también en las manos y que, por lo tanto, en todos los zurdos esta función estaba en el hemisferio derecho. Pero, en realidad, este hecho sólo se verifica en cierto número de casos. A veces, el lenguaje es gobernado por ambos hemisferios, y con mucha frecuencia, la función del lenguaje en una persona zurda se localiza en el hemisferio izquierdo.
Una particularidad que se observa es que muchas veces los zurdos se destacan en deportes en donde se utiliza un sólo miembro, como el tenis o la esgrima. Esto se debería a la estructura de sus cerebros, cuyo cuerpo calloso (el puente de fibras que une los dos hemisferios) está más desarrollado y permite una transmisión muy rápida de la información de un hemisferio al otro. Una gran ventaja en competencias donde milésimas de segundo son decisivas. Esto no se puede observar en otros deportes como el polo debido a que las reglas prohíben jugar con la mano izquierda.
Otra cuestión a observar es que el cerebro de los zurdos presentan algunas diferencias respecto al de los diestros, como que el planum temporal (una parte del encéfalo situada en la encrucijada entre los lóbulos temporal, parietal y frontal) es más grande en el hemisferio izquierdo. Esta asimetrí podría explicar la preferencia por las actividades manuales.
Cuando un niño aún no ha logrado definir la lateralidad (predominio de una parte del cuerpo sobre otra) se dice que es ambidiestro (desarrolla con ambas manos las mismas habilidades). La mayoría de los niños pequeños van cambiado de mano o usan la dos manos al mismo tiempo. Es alrededor de los 4 años cuando se establece la preferencia sobre una u otra mano. Alrededor de los 7 u 8 años es cuando se sabe si el niño es diestro o zurdo, ya que es cuando opta por la mano de la escritura y se produce la "lateralización definitiva" (se habla de lateralización pura cuando domina el mismo lado en pie, mano y ojo mientras que se habla de lateralización cruzada cuando, por ejemplo, se es diestro de mano y zurdo de ojo o viceversa