Evolutionsbiologen berichten, dass sie PET-Scans moderner Tauben mit Untersuchungen an Dinosaurierfossilien kombiniert haben, um eine bleibende Frage der Biologie zu beantworten: Wie hat sich das Gehirn von Vögeln entwickelt, damit sie fliegen können?
Ein Vogel – illustratives Foto. Bildnachweis: Pixabay (Kostenlose Pixabay-Lizenz)
Die Antwort scheint in einer adaptiven Vergrößerung des Kleinhirns bei einigen fossilen Wirbeltieren zu liegen. Das Kleinhirn ist eine Region im hinteren Teil des Vogelgehirns, die für Bewegung und motorische Kontrolle verantwortlich ist.
Die Forschungsergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Proceedings of the Royal Society B.
„Wir haben herausgefunden, dass beim Übergang von Vögeln vom Ruhezustand zum Flug die Schaltkreise im Kleinhirn stärker aktiviert werden als in jedem anderen Teil des Gehirns“, sagte der Co-Autor der Studie Paul Gignac, außerordentlicher Professor an der University of Arizona Hochschule für Medizin - Tucson, Studium der Neuroanatomie und Evolution. Er ist außerdem wissenschaftlicher Mitarbeiter des American Museum of Natural History.
„Wir haben uns dann den Schädel angesehen, der dieser Region in Dinosaurier- und Vogelfossilien entspricht, um zu verfolgen, wann sich das Kleinhirn vergrößert hat“, sagte Gignac. „Der erste Vergrößerungsimpuls trat auf, bevor die Dinosaurier ihre Flügel begannen, was zeigt, dass der Vogelflug alte und gut erhaltene neuronale Relais nutzt, jedoch mit einzigartig erhöhten Aktivitätsniveaus.“
Wissenschaftler sind seit langem davon ausgegangen, dass das Kleinhirn für den Vogelflug wichtig sein sollte, es fehlten jedoch direkte Beweise. Um ihren Wert zu ermitteln, kombinierte die neue Forschung moderne PET-Scan-Bilddaten gewöhnlicher Tauben mit dem Fossilienbestand und untersuchte Gehirnregionen von Vögeln während des Fluges und Gehirngehäuse antiker Dinosaurier. PET-Scans zeigen, wie Organe und Gewebe funktionieren.
„Motorflüge bei Wirbeltieren sind ein seltenes Ereignis in der Evolutionsgeschichte“, sagte Hauptautorin Amy Balanoff von der Johns Hopkins University School of Medicine.
Tatsächlich haben sich nur drei Gruppen von Wirbeltieren oder Tieren mit Rückgrat zum Fliegen entwickelt: ausgestorbene Flugsaurier – die Schrecken des Himmels während des Mesozoikums, das vor über 65 Millionen Jahren endete – Fledermäuse und Vögel, sagte Balanoff. Die drei fliegenden Gruppen sind im Evolutionsbaum nicht eng miteinander verwandt, und die Schlüsselfaktoren, die den Flug in allen drei Gruppen ermöglichten, blieben unklar.
Neben den äußeren körperlichen Anpassungen für den Flug, wie lange obere Gliedmaßen, bestimmte Arten von Federn, ein stromlinienförmiger Körper und andere Merkmale, konzipierte das Team Forschungen, um Merkmale zu finden, die ein flugbereites Gehirn hervorbringen.
Zu diesem Zweck beauftragte das Team biomedizinische Ingenieure der Stony Brook University in New York, die Gehirnaktivität moderner Tauben vor und nach dem Flug zu vergleichen.
Die Forscher führten PET-Scans durch, um die Aktivität in 26 Regionen des Gehirns zu vergleichen, wenn der Vogel in Ruhe war und unmittelbar nachdem er 10 Minuten lang von einem Sitzplatz zum anderen geflogen war. Sie haben an verschiedenen Tagen acht Vögel gescannt. Bei PET-Scans wird eine Glukose-ähnliche Verbindung verwendet, die bis zu der Stelle verfolgt werden kann, an der sie von den Gehirnzellen am stärksten absorbiert wird, was auf einen erhöhten Energieverbrauch und damit auf eine erhöhte Aktivität hinweist. Der Tracker zersetzt sich und wird innerhalb von ein oder zwei Tagen aus dem Körper ausgeschieden.
Von den 26 Regionen verzeichnete ein Bereich – das Kleinhirn – bei allen acht Vögeln einen statistisch signifikanten Anstieg des Aktivitätsniveaus zwischen Ruhe und Flug. Insgesamt unterschied sich der Grad der Aktivitätssteigerung im Kleinhirn deutlich im Vergleich zu anderen Bereichen des Gehirns.
Die Forscher stellten außerdem eine erhöhte Gehirnaktivität in den sogenannten optischen Flussbahnen fest, einem Netzwerk von Gehirnzellen, das die Netzhaut im Auge mit dem Kleinhirn verbindet. Diese Bahnen verarbeiten Bewegungen im gesamten Gesichtsfeld.
Balanoff sagte, dass die Erkenntnisse des Teams über eine erhöhte Aktivität im Kleinhirn und in den optischen Flussbahnen nicht unbedingt überraschend seien, da angenommen wurde, dass diese Bereiche beim Flug eine Rolle spielen.
Das Neue an ihrer Forschung war die Verknüpfung der Kleinhirnbefunde flugfähiger Gehirne moderner Vögel mit dem Fossilienbestand, der zeigte, wie die Gehirne vogelähnlicher Dinosaurier begannen, Gehirnbedingungen für den Motorflug zu entwickeln.
Dazu nutzte das Team eine digitalisierte Datenbank mit Endocasts oder Abdrücken des Innenraums von Dinosaurierschädeln, die, wenn sie gefüllt sind, dem Gehirn ähneln.
Anschließend identifizierten und verfolgten sie eine beträchtliche Zunahme des Kleinhirnvolumens bei einigen der frühesten Maniraptoran-Dinosaurierarten, die dem ersten Auftreten von Motorflügen bei alten Verwandten der Vögel vorausging, darunter: Archaeopteryx, ein geflügelter Dinosaurier.
Die von Balanoff geleiteten Forscher fanden in den Endocasts auch Hinweise auf eine Zunahme der Gewebefaltung im Kleinhirn früher Maniraptoraner, ein Hinweis auf eine zunehmende Gehirnkomplexität.
Die Forscher warnten, dass es sich hierbei um frühe Erkenntnisse handele und dass Veränderungen der Gehirnaktivität während des Motorflugs auch bei anderen Verhaltensweisen, etwa beim Gleiten, auftreten könnten. Sie stellen außerdem fest, dass ihre Tests direktes Fliegen ohne Hindernisse und mit einer einfachen Flugbahn beinhalteten und dass andere Gehirnregionen bei komplexen Flugmanövern möglicherweise aktiver sind.
Als nächstes plant das Forschungsteam, präzise Bereiche im Kleinhirn zu lokalisieren, die ein flugbereites Gehirn ermöglichen, sowie die neuronalen Verbindungen zwischen diesen Strukturen.
Wissenschaftliche Theorien darüber, warum das Gehirn im Laufe der Evolutionsgeschichte größer wird, beinhalten die Notwendigkeit, neue und unterschiedliche Landschaften zu durchqueren und so die Voraussetzungen für das Fliegen und andere Bewegungsstile zu schaffen, sagte Co-Autor Gabriel Bever von der Johns Hopkins University School of Medicine.
Weitere Studienautoren sind Elizabeth Ferrer vom American Museum of Natural History und der Samuel Merritt University; Lemise Saleh und Paul Vaska von der Stony Brook University; M. Eugenia Gold vom American Museum of Natural History und der Suffolk University; Jesuss Marugán-Lobón der Autonomen Universität Madrid; Mark Norell vom American Museum of Natural History; David Ouellette vom Weill Cornell Medical College; Michael Salerno von der University of Pennsylvania; Akinobu Watanabe vom American Museum of Natural History, New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine und Natural History Museum of London; und Shouyi Wei vom New York Proton Center.
Diese Forschung wurde von der National Science Foundation finanziert.
Quelle: University of Arizona
