Evolutiebiologen melden dat ze PET-scans van moderne duiven hebben gecombineerd met studies van dinosaurusfossielen om een blijvende vraag in de biologie te helpen beantwoorden: hoe zijn de hersenen van vogels geëvolueerd om hen in staat te stellen te vliegen?
Een vogel – illustratieve foto. Afbeelding tegoed: Pixabay (Gratis Pixabay-licentie)
Het antwoord lijkt een adaptieve toename van de grootte van het cerebellum bij sommige fossiele gewervelde dieren te zijn. Het cerebellum is een gebied aan de achterkant van de hersenen van vogels dat verantwoordelijk is voor beweging en motorische controle.
De onderzoeksresultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the Royal Society B.
“We ontdekten dat wanneer vogels overgaan van rust naar vlucht, circuits in het cerebellum meer worden geactiveerd dan in enig ander deel van de hersenen”, aldus co-auteur van het onderzoek. Paul Gignac, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Arizona College of Medicine - Tucson, het bestuderen van neuroanatomie en evolutie. Hij is ook onderzoeksmedewerker voor het American Museum of Natural History.
“Vervolgens keken we naar de schedel die overeenkomt met dit gebied in dinosaurus- en vogelfossielen om te volgen wanneer het cerebellum groter werd,” zei Gignac. “De eerste impuls van uitbreiding vond plaats voordat de dinosauriërs hun vleugels uitsloegen, wat aantoont dat de vlucht van vogels gebruik maakt van oude en goed bewaarde neurale relais, maar met een uniek verhoogd activiteitsniveau.”
Wetenschappers hebben lang gedacht dat het cerebellum belangrijk zou moeten zijn bij de vogelvlucht, maar daar ontbrak direct bewijs voor. Om de waarde ervan vast te stellen, combineerde het nieuwe onderzoek moderne PET-scangegevens van gewone duiven met het fossielenbestand, waarbij hersengebieden van vogels tijdens de vlucht en hersengevallen van oude dinosauriërs werden onderzocht. PET-scans laten zien hoe organen en weefsels werken.
“Aangedreven vluchten tussen gewervelde dieren is een zeldzame gebeurtenis in de evolutionaire geschiedenis”, zegt hoofdauteur Amy Balanoff van de Johns Hopkins University School of Medicine.
In feite zijn slechts drie groepen gewervelde dieren, of dieren met een ruggengraat, geëvolueerd om te vliegen: uitgestorven pterosauriërs – de verschrikkingen van de hemel tijdens het Mesozoïcum, dat meer dan 65 miljoen jaar geleden eindigde – vleermuizen en vogels, zei Balanoff. De drie vliegende groepen zijn niet nauw verwant in de evolutionaire boom, en de belangrijkste factoren die het vliegen in alle drie mogelijk maakten, zijn onduidelijk gebleven.
Naast de uiterlijke fysieke aanpassingen voor het vliegen, zoals lange bovenste ledematen, bepaalde soorten veren, een gestroomlijnd lichaam en andere kenmerken, heeft het team onderzoek ontworpen om kenmerken te vinden die een vluchtklaar brein creëerden.
Om dit te doen schakelde het team biomedische ingenieurs van de Stony Brook University in New York in om de hersenactiviteit van moderne duiven voor en na de vlucht te vergelijken.
De onderzoekers voerden PET-scans uit om de activiteit in 26 hersengebieden te vergelijken toen de vogel in rust was en onmiddellijk daarna gedurende 10 minuten van de ene baars naar de andere vloog. Ze scanden acht vogels op verschillende dagen. PET-scans maken gebruik van een stof die lijkt op glucose en die kan worden gevolgd tot waar deze het meest door hersencellen wordt opgenomen, wat wijst op een verhoogd energiegebruik en dus activiteit. De tracker wordt afgebroken en wordt binnen een dag of twee uit het lichaam uitgescheiden.
Van de 26 regio's vertoonde één gebied – het cerebellum – bij alle acht vogels een statistisch significante toename in activiteitsniveau tussen rusten en vliegen. Over het geheel genomen verschilde het niveau van activiteitstoename in het cerebellum aanzienlijk, vergeleken met andere delen van de hersenen.
De onderzoekers ontdekten ook verhoogde hersenactiviteit in de zogenaamde optische stroompaden, een netwerk van hersencellen dat het netvlies in het oog verbindt met het cerebellum. Deze routes verwerken bewegingen over het gezichtsveld.
Balanoff zei dat de bevindingen van het team over de toename van de activiteit in het cerebellum en de optische stroompaden niet per se verrassend waren, omdat wordt verondersteld dat deze gebieden een rol spelen tijdens de vlucht.
Wat nieuw was in hun onderzoek was het koppelen van de bevindingen in het cerebellum van hersenen die kunnen vliegen bij moderne vogels met het fossielenbestand dat liet zien hoe de hersenen van vogelachtige dinosaurussen hersencondities begonnen te ontwikkelen voor gemotoriseerde vluchten.
Om dit te doen gebruikte het team een gedigitaliseerde database van endocasts, of mallen van de interne ruimte van dinosaurusschedels, die, wanneer ze gevuld zijn, op de hersenen lijken.
Vervolgens identificeerden en traceerden ze een aanzienlijke toename in het volume van het cerebellum bij enkele van de vroegste soorten maniraptoran-dinosaurussen, die voorafgingen aan de eerste verschijningen van gemotoriseerde vluchten onder oude vogelverwanten, waaronder Archaeopteryx, een gevleugelde dinosaurus.
De onderzoekers onder leiding van Balanoff vonden in de endocasts ook bewijs van een toename van de weefselvouwing in het cerebellum van vroege maniraptoranen, een indicatie van een toenemende complexiteit van de hersenen.
De onderzoekers waarschuwden dat dit vroege bevindingen zijn en dat veranderingen in de hersenactiviteit tijdens een gemotoriseerde vlucht ook kunnen optreden tijdens ander gedrag, zoals zweefvliegen. Ze merken ook op dat hun tests eenvoudig vliegen omvatten, zonder obstakels en met een gemakkelijke vliegroute, en dat andere hersengebieden mogelijk actiever zijn tijdens complexe vliegmanoeuvres.
Het onderzoeksteam is van plan om precieze gebieden in het cerebellum aan te wijzen die een vluchtklaar brein en de neurale verbindingen tussen deze structuren mogelijk maken.
Wetenschappelijke theorieën over waarom de hersenen in de loop van de evolutionaire geschiedenis groter worden, omvatten onder meer de noodzaak om nieuwe en verschillende landschappen te doorkruisen, waardoor de weg wordt geëffend voor vlieg- en andere voortbewegingsstijlen, zei co-auteur Gabriel Bever van de Johns Hopkins University School of Medicine.
Andere auteurs van het onderzoek zijn onder meer Elizabeth Ferrer van het American Museum of Natural History en Samuel Merritt University; Lemise Saleh en Paul Vaska van de Stony Brook Universiteit; M. Eugenia Gold van het American Museum of Natural History en de Universiteit van Suffolk; Jesús Marugán-Lobón van de Autonome Universiteit van Madrid; Mark Norell van het American Museum of Natural History; David Ouellette van het Weill Cornell Medical College; Michael Salerno van de Universiteit van Pennsylvania; Akinobu Watanabe van het American Museum of Natural History, New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine en Natural History Museum of London; en Shouyi Wei van het New York Proton Center.
Dit onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation.
Bron: Universiteit van Arizona
