進化生物学者らは、現生ハトのPETスキャンと恐竜の化石の研究を組み合わせて、生物学における永続的な疑問「鳥の脳はどのようにして飛べるように進化したのか」の答えを導き出したと報告している。
鳥 - 例示的な写真。画像クレジット: Pixabay (Pixabayの無料ライセンス)
その答えは、一部の化石脊椎動物における小脳のサイズの適応的な増加であると考えられます。小脳は鳥の脳の後ろにある領域で、運動と運動制御を担当します。
研究結果は雑誌に掲載されます 王立協会B論文集.
「鳥が静止状態から飛行状態に移行するとき、小脳の回路が脳の他のどの部分よりも活性化されることがわかりました」と研究の共著者は述べた。 ポール・ジニャック、アリゾナ大学准教授 医学部–ツーソン、神経解剖学と進化を研究しています。彼はアメリカ自然史博物館の研究員でもあります。
「その後、小脳がいつ肥大化したかを追跡するために、恐竜や鳥の化石のこの領域に対応する頭蓋骨を調べました」とジニャック氏は語った。 「拡大の最初のパルスは、恐竜が羽ばたく前に発生しました。これは、鳥類の飛行が古代のよく保存された神経中継を使用していることを示していますが、その活動レベルは独特に上昇しています。」
科学者たちは鳥の飛行には小脳が重要であるはずだと長い間考えてきたが、直接的な証拠はなかった。その価値を正確に特定するために、新しい研究では、普通のハトの現代のPETスキャン画像データと化石記録を組み合わせ、飛行中の鳥の脳領域と古代の恐竜の脳箱を調べた。 PET スキャンは、臓器や組織がどのように機能しているかを示します。
「脊椎動物の間で動力飛行は進化の歴史の中でもまれな出来事です」と筆頭著者であるジョンズ・ホプキンス大学医学部のエイミー・バラノフ氏は述べた。
実際、空を飛ぶように進化した脊椎動物、つまり背骨を持つ動物は、絶滅した翼竜、65万年以上前に終わった中生代の空の恐怖、コウモリと鳥のたったXNUMXつのグループだけだとバラノフ氏は述べた。 XNUMX つの飛行グループは進化の系統図上密接な関係がなく、XNUMX つすべての飛行を可能にした重要な要因は不明のままです。
長い上肢、特定の種類の羽毛、流線型の体、その他の特徴など、飛行のための外見的な身体的適応に加えて、チームは飛行の準備ができた脳を作り出す特徴を見つけるために研究を計画しました。
そのために、チームにはニューヨークのストーニーブルック大学の生物医学エンジニアが参加し、現代のハトの飛行前後の脳活動を比較しました。
研究者らはPETスキャンを実施し、鳥が静止しているときと、止まり木から止まり木へ26分間飛んだ直後の脳の10領域の活動を比較した。彼らは別の日にXNUMX羽の鳥をスキャンした。 PET スキャンでは、脳細胞に最も吸収される場所を追跡できるグルコースに似た化合物が使用され、エネルギーの使用、つまり活動の増加が示されます。トラッカーは分解され、XNUMX ～ XNUMX 日以内に体から排泄されます。
26 の領域のうち、XNUMX つの領域 (小脳) では、XNUMX 羽すべての鳥において、休息中と飛行中の活動レベルが統計的に有意に増加していました。全体として、小脳の活動増加のレベルは、脳の他の領域と比較して大きく異なりました。
研究者らはまた、目の網膜を小脳につなぐ脳細胞のネットワーク、いわゆる視流路における脳活動の増加も検出した。これらの経路は、視野全体の動きを処理します。
バラノフ氏は、小脳と視神経経路の活動が増加しているという研究チームの発見は、必ずしも驚くべきことではないと述べた。なぜなら、この領域は飛行に役割を果たしているという仮説が立てられているからである。
彼らの研究で新しかったのは、現生鳥類の飛行可能な脳の小脳の発見と、鳥類の恐竜の脳がどのようにして動力飛行のための脳の状態を発達させ始めたかを示す化石記録とを結びつけたことである。
これを行うために、研究チームは、エンドキャスト、つまり、満たされると脳に似た恐竜の頭蓋骨の内部空間の型のデジタル化されたデータベースを使用しました。
その後、彼らは、マニラプトル類恐竜の初期の種の一部で、小脳の体積が大幅に増加していることを特定し、追跡した。これらの恐竜は、古代の鳥類の近縁種で動力飛行が初めて出現する以前のものであった。 始祖鳥、翼のある恐竜。
バラノフ率いる研究者らはまた、エンドキャストで、初期のマニラプトル類の小脳における組織の折り畳みが増加しており、これは脳の複雑性が増大していることを示す証拠を発見した。
研究者らは、これらは初期の発見であり、動力飛行中の脳活動の変化は滑空などの他の行動中にも起こる可能性があると警告した。彼らはまた、テストには障害物がなく、簡単な飛行経路での単純な飛行が含まれており、複雑な飛行操縦中は他の脳領域がより活性化する可能性があるとも指摘している。
研究チームは次に、飛行可能な脳とこれらの構造間の神経接続を可能にする小脳の正確な領域を特定することを計画している。
共著者であるジョンズ・ホプキンス大学医学部のガブリエル・ビバー氏によると、進化の歴史を通じて脳が大型化する理由についての科学的理論には、飛行やその他の機関車スタイルの準備として、新しく異なる地形を横断する必要性が含まれているという。
他の研究著者には、アメリカ自然史博物館およびサミュエル・メリット大学のエリザベス・フェラー氏が含まれます。ストーニーブルック大学のレミーズ・サレハ氏とポール・バスカ氏。アメリカ自然史博物館およびサフォーク大学のM.ユージニア・ゴールド氏。ヘススマルグánロブマドリッド自治大学の出身。アメリカ自然史博物館のマーク・ノレル氏。ワイル・コーネル医科大学のデイビッド・ウエレット氏。ペンシルベニア大学のマイケル・サレルノ氏。アメリカ自然史博物館、ニューヨーク工科大学オステオパシー医科大学、ロンドン自然史博物館の渡辺明信氏。とニューヨーク陽子センターのShouyi Wei氏。
この研究は国立科学財団から資金提供を受けました。
情報源： アリゾナ大学
