Οι εξελικτικοί βιολόγοι αναφέρουν ότι συνδύασαν σαρώσεις PET σύγχρονων περιστεριών μαζί με μελέτες απολιθωμάτων δεινοσαύρων για να απαντήσουν σε μια διαρκή ερώτηση στη βιολογία: Πώς εξελίχθηκε ο εγκέφαλος των πτηνών για να τους επιτρέψει να πετάξουν;
Ένα πουλί – ενδεικτική φωτογραφία. Πίστωση εικόνας: Pixabay (Δωρεάν άδεια Pixabay)
Η απάντηση φαίνεται να είναι μια προσαρμοστική αύξηση του μεγέθους της παρεγκεφαλίδας σε ορισμένα απολιθωμένα σπονδυλωτά. Η παρεγκεφαλίδα είναι μια περιοχή στο πίσω μέρος του εγκεφάλου των πτηνών που είναι υπεύθυνη για την κίνηση και τον κινητικό έλεγχο.
Τα ευρήματα της έρευνας δημοσιεύονται στο περιοδικό Πρακτικά της Βασιλικής Εταιρείας Β.
«Βρήκαμε ότι όταν τα πουλιά περνούν από την ανάπαυση στο πέταγμα, τα κυκλώματα στην παρεγκεφαλίδα ενεργοποιούνται περισσότερο από οποιοδήποτε άλλο μέρος του εγκεφάλου», δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης. Paul Gignac, αναπληρωτής καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα Κολλέγιο Ιατρικής - Tucson, μελετώντας τη νευροανατομία και την εξέλιξη. Είναι επίσης επιστημονικός συνεργάτης του Αμερικανικού Μουσείου Φυσικής Ιστορίας.
«Στη συνέχεια εξετάσαμε το κρανίο που αντιστοιχεί σε αυτή την περιοχή σε απολιθώματα δεινοσαύρων και πτηνών για να παρακολουθήσουμε πότε η παρεγκεφαλίδα μεγεθύνθηκε», είπε ο Gignac. «Ο πρώτος παλμός της μεγέθυνσης συνέβη πριν οι δεινόσαυροι πάρουν τα φτερά, κάτι που δείχνει ότι η πτήση των πτηνών χρησιμοποιεί αρχαίους και καλά διατηρημένους νευρωνικούς ηλεκτρονόμους, αλλά με μοναδικά αυξημένα επίπεδα δραστηριότητας».
Οι επιστήμονες πίστευαν από καιρό ότι η παρεγκεφαλίδα θα έπρεπε να είναι σημαντική στην πτήση των πτηνών, αλλά δεν είχαν άμεσες αποδείξεις. Για να προσδιορίσει με ακρίβεια την αξία του, η νέα έρευνα συνδύασε σύγχρονα δεδομένα απεικόνισης PET scan συνηθισμένων περιστεριών με το αρχείο απολιθωμάτων, εξετάζοντας περιοχές του εγκεφάλου πουλιών κατά τη διάρκεια της πτήσης και εγκεφαλικές θήκες αρχαίων δεινοσαύρων. Οι σαρώσεις PET δείχνουν πώς λειτουργούν τα όργανα και οι ιστοί.
«Η ηλεκτροκίνητη πτήση μεταξύ σπονδυλωτών είναι ένα σπάνιο γεγονός στην εξελικτική ιστορία», δήλωσε η επικεφαλής συγγραφέας Amy Balanoff, από την Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Johns Hopkins.
Στην πραγματικότητα, μόνο τρεις ομάδες σπονδυλωτών ή ζώων με ραχοκοκαλιά εξελίχθηκαν για να πετάξουν: οι εξαφανισμένοι πτερόσαυροι - οι τρόμοι του ουρανού κατά τη Μεσοζωική περίοδο, που τελείωσε πριν από 65 εκατομμύρια χρόνια - νυχτερίδες και πουλιά, είπε ο Balanoff. Οι τρεις ιπτάμενες ομάδες δεν σχετίζονται στενά με το εξελικτικό δέντρο και οι βασικοί παράγοντες που επέτρεψαν την πτήση και στις τρεις παρέμειναν ασαφείς.
Εκτός από τις εξωτερικές φυσικές προσαρμογές για πτήση, όπως μακριά άνω άκρα, ορισμένα είδη φτερών, βελτιωμένο σώμα και άλλα χαρακτηριστικά, η ομάδα σχεδίασε έρευνα για να βρει χαρακτηριστικά που δημιούργησαν έναν εγκέφαλο έτοιμο για πτήση.
Για να γίνει αυτό, η ομάδα συμπεριέλαβε βιοϊατρικούς μηχανικούς στο Πανεπιστήμιο Stony Brook στη Νέα Υόρκη για να συγκρίνουν την εγκεφαλική δραστηριότητα των σύγχρονων περιστεριών πριν και μετά την πτήση.
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν σαρώσεις PET για να συγκρίνουν τη δραστηριότητα σε 26 περιοχές του εγκεφάλου όταν το πουλί ήταν σε ηρεμία και αμέσως μετά πέταξε για 10 λεπτά από τη μια πέρκα στην άλλη. Σάρωσαν οκτώ πουλιά σε διαφορετικές ημέρες. Οι σαρώσεις PET χρησιμοποιούν μια ένωση παρόμοια με τη γλυκόζη, η οποία μπορεί να εντοπιστεί μέχρι εκεί που απορροφάται περισσότερο από τα εγκεφαλικά κύτταρα, υποδεικνύοντας αυξημένη χρήση ενέργειας και συνεπώς δραστηριότητα. Ο ιχνηλάτης υποβαθμίζεται και αποβάλλεται από το σώμα μέσα σε μία ή δύο ημέρες.
Από τις 26 περιοχές, μια περιοχή - η παρεγκεφαλίδα - είχε στατιστικά σημαντικές αυξήσεις στα επίπεδα δραστηριότητας μεταξύ ανάπαυσης και πτήσης και στα οκτώ πουλιά. Συνολικά, το επίπεδο αύξησης της δραστηριότητας στην παρεγκεφαλίδα διέφερε σημαντικά, σε σύγκριση με άλλες περιοχές του εγκεφάλου.
Οι ερευνητές εντόπισαν επίσης αυξημένη εγκεφαλική δραστηριότητα στα λεγόμενα μονοπάτια οπτικής ροής, ένα δίκτυο εγκεφαλικών κυττάρων που συνδέει τον αμφιβληστροειδή του ματιού με την παρεγκεφαλίδα. Αυτά τα μονοπάτια επεξεργάζονται την κίνηση στο οπτικό πεδίο.
Ο Balanoff είπε ότι τα ευρήματα της ομάδας για την αύξηση της δραστηριότητας στην παρεγκεφαλίδα και στα μονοπάτια της οπτικής ροής δεν ήταν απαραίτητα έκπληξη, καθώς οι περιοχές έχουν υποτεθεί ότι παίζουν ρόλο στην πτήση.
Αυτό που ήταν νέο στην έρευνά τους ήταν η σύνδεση των ευρημάτων της παρεγκεφαλίδας των εγκεφάλων με δυνατότητα πτήσης σε σύγχρονα πτηνά με το απολιθωμένο αρχείο που έδειχνε πώς οι εγκέφαλοι δεινοσαύρων που μοιάζουν με πτηνά άρχισαν να αναπτύσσουν εγκεφαλικές συνθήκες για πτήση με κινητήρα.
Για να γίνει αυτό, η ομάδα χρησιμοποίησε μια ψηφιοποιημένη βάση δεδομένων ενδοκαστικών ή καλουπιών του εσωτερικού χώρου των κρανίων δεινοσαύρων, τα οποία, όταν γεμίσουν, μοιάζουν με τον εγκέφαλο.
Στη συνέχεια, εντόπισαν και εντόπισαν μια σημαντική αύξηση στον όγκο της παρεγκεφαλίδας σε μερικά από τα πρώτα είδη δεινοσαύρων maniraptoran, τα οποία προηγήθηκαν των πρώτων εμφανίσεων ηλεκτροκίνητης πτήσης μεταξύ αρχαίων συγγενών πτηνών, όπως Αρχαιοπτέρυγα, ένας φτερωτός δεινόσαυρος.
Οι ερευνητές με επικεφαλής τον Balanoff βρήκαν επίσης στοιχεία στις ενδοκιμασίες αύξησης της αναδίπλωσης των ιστών στην παρεγκεφαλίδα των πρώιμων maniraptorans, ένδειξη αυξανόμενης πολυπλοκότητας του εγκεφάλου.
Οι ερευνητές προειδοποίησαν ότι αυτά είναι πρώιμα ευρήματα και ότι οι αλλαγές στην εγκεφαλική δραστηριότητα κατά τη διάρκεια της πτήσης με κινητήρα θα μπορούσαν επίσης να συμβούν κατά τη διάρκεια άλλων συμπεριφορών, όπως η ολίσθηση. Σημειώνουν επίσης ότι οι δοκιμές τους περιελάμβαναν απλή πτήση, χωρίς εμπόδια και με εύκολη διαδρομή πτήσης, και άλλες περιοχές του εγκεφάλου μπορεί να είναι πιο ενεργές κατά τη διάρκεια πολύπλοκων ελιγμών πτήσης.
Η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει δίπλα να εντοπίσει ακριβείς περιοχές στην παρεγκεφαλίδα που επιτρέπουν έναν έτοιμο για πτήση εγκέφαλο και τις νευρικές συνδέσεις μεταξύ αυτών των δομών.
Οι επιστημονικές θεωρίες για το γιατί ο εγκέφαλος γίνεται μεγαλύτερος κατά τη διάρκεια της εξελικτικής ιστορίας περιλαμβάνουν την ανάγκη να διασχίσουμε νέα και διαφορετικά τοπία, δημιουργώντας το υπόβαθρο για πτήση και άλλα στυλ ατμομηχανής, δήλωσε ο συν-συγγραφέας Gabriel Bever της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Johns Hopkins.
Άλλοι συγγραφείς της μελέτης περιλαμβάνουν την Elizabeth Ferrer του Αμερικανικού Μουσείου Φυσικής Ιστορίας και το Πανεπιστήμιο Samuel Merritt. Lemise Saleh και Paul Vaska του Πανεπιστημίου Stony Brook. M. Eugenia Gold του Αμερικανικού Μουσείου Φυσικής Ιστορίας και του Πανεπιστημίου Σάφολκ. Jesús Marugán-Lobóν του Αυτόνομου Πανεπιστημίου της Μαδρίτης· Mark Norell του Αμερικανικού Μουσείου Φυσικής Ιστορίας. David Ouellette του Ιατρικού Κολλεγίου Weill Cornell. Michael Salerno του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια· Akinobu Watanabe του Αμερικανικού Μουσείου Φυσικής Ιστορίας, του New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine και του Μουσείου Φυσικής Ιστορίας του Λονδίνου. και Shouyi Wei του Κέντρου Πρωτονίων της Νέας Υόρκης.
Αυτή η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.
πηγή: Πανεπιστήμιο της Αριζόνα
