Evolusjonsbiologer rapporterer at de har kombinert PET-skanninger av moderne duer sammen med studier av dinosaurfossiler for å hjelpe til med å svare på et vedvarende spørsmål innen biologi: Hvordan utviklet hjernen til fugler seg for å gjøre dem i stand til å fly?
En fugl – illustrerende bilde. Bildekreditt: Pixabay (Gratis Pixabay-lisens)
Svaret ser ut til å være en adaptiv økning i størrelsen på lillehjernen hos noen fossile virveldyr. Lillehjernen er et område på baksiden av fuglehjernen som er ansvarlig for bevegelse og motorisk kontroll.
Forskningsfunnene er publisert i tidsskriftet Det kongelige samfunns foredrag B.
"Vi fant at når fugler går fra hvile til flukt, aktiveres kretsløp i lillehjernen mer enn i noen annen del av hjernen," sa studiens medforfatter. Paul Gignac, en førsteamanuensis ved University of Arizona College of Medicine - Tucson, studerer nevroanatomi og evolusjon. Han er også forskningsmedarbeider for American Museum of Natural History.
"Vi så på hodeskallen som tilsvarer denne regionen i dinosaur- og fuglefossiler for å spore når lillehjernen utvidet seg," sa Gignac. "Den første forstørrelsespulsen skjedde før dinosaurene tok vinge, noe som viser at fuglefly bruker eldgamle og godt bevarte nevrale reléer, men med unikt forhøyede aktivitetsnivåer."
Forskere har lenge trodd at lillehjernen skulle være viktig i fugleflukt, men de manglet direkte bevis. For å finne verdien, kombinerte den nye forskningen moderne PET-skanning av bildedata fra vanlige duer med fossilrekorden, og undersøkte hjerneregioner til fugler under flukt og hjernen til gamle dinosaurer. PET-skanninger viser hvordan organer og vev fungerer.
"Elektronisk flukt blant virveldyr er en sjelden hendelse i evolusjonshistorien," sa hovedforfatter Amy Balanoff, fra Johns Hopkins University School of Medicine.
Faktisk har bare tre grupper av virveldyr, eller dyr med ryggrad, utviklet seg til å fly: utdødde pterosaurer – himmelens skrekk under den mesozoiske perioden, som endte for over 65 millioner år siden – flaggermus og fugler, sa Balanoff. De tre flygende gruppene er ikke nært beslektet på evolusjonstreet, og nøkkelfaktorene som muliggjorde flyging i alle tre har forblitt uklare.
Foruten de ytre fysiske tilpasningene for flyging, som lange øvre lemmer, visse typer fjær, en strømlinjeformet kropp og andre funksjoner, utviklet teamet forskning for å finne funksjoner som skapte en flyklar hjerne.
For å gjøre det inkluderte teamet biomedisinske ingeniører ved Stony Brook University i New York for å sammenligne hjerneaktiviteten til moderne duer før og etter flytur.
Forskerne utførte PET-skanninger for å sammenligne aktiviteten i 26 områder av hjernen når fuglen var i ro og umiddelbart etter at den fløy i 10 minutter fra en abbor til en annen. De skannet åtte fugler på forskjellige dager. PET-skanninger bruker en forbindelse som ligner på glukose som kan spores til der den absorberes mest av hjerneceller, noe som indikerer økt bruk av energi og dermed aktivitet. Trackeren brytes ned og skilles ut fra kroppen i løpet av en dag eller to.
Av de 26 regionene hadde ett område – lillehjernen – statistisk signifikant økning i aktivitetsnivået mellom hvile og flyging hos alle åtte fuglene. Totalt sett var aktivitetsøkningen i lillehjernen betydelig forskjellig, sammenlignet med andre områder av hjernen.
Forskerne oppdaget også økt hjerneaktivitet i de såkalte optiske strømningsbanene, et nettverk av hjerneceller som forbinder netthinnen i øyet med lillehjernen. Disse banene behandler bevegelse over synsfeltet.
Balanoff sa at teamets funn av aktivitetsøkning i lillehjernen og optiske strømningsveier ikke nødvendigvis var overraskende, siden områdene har blitt antatt å spille en rolle i flukt.
Det som var nytt i forskningen deres var å koble lillehjernens funn av flyaktiverte hjerner hos moderne fugler til fossilregistreringen som viste hvordan hjernen til fuglelignende dinosaurer begynte å utvikle hjerneforhold for drevet flukt.
For å gjøre det brukte teamet en digitalisert database med endocasts, eller former for det indre rommet til dinosaurhodeskaller, som, når de er fylt, ligner hjernen.
De identifiserte og sporet deretter en betydelig økning i lillehjernens volum til noen av de tidligste artene av maniraptoran-dinosaurer, som gikk foran de første opptredenene av drevet flukt blant eldgamle fugleslektninger, inkludert Archaeopteryx, en bevinget dinosaur.
Forskerne ledet av Balanoff fant også bevis i endokastene på en økning i vevsfolding i lillehjernen til tidlige maniraptoraner, en indikasjon på økende hjernekompleksitet.
Forskerne advarte om at dette er tidlige funn, og endringer i hjerneaktivitet under drevet flyging kan også forekomme under annen atferd, for eksempel gliding. De bemerker også at testene deres involverte enkel flyging, uten hindringer og med en enkel flyvei, og andre hjerneregioner kan være mer aktive under komplekse flymanøvrer.
Forskerteamet planlegger ved siden av å finne nøyaktige områder i lillehjernen som muliggjør en flyklar hjerne og de nevrale forbindelsene mellom disse strukturene.
Vitenskapelige teorier for hvorfor hjernen blir større gjennom evolusjonshistorien inkluderer behovet for å krysse nye og forskjellige landskap, sette scenen for flukt og andre lokomotivstiler, sa medforfatter Gabriel Bever ved Johns Hopkins University School of Medicine.
Andre studieforfattere inkluderer Elizabeth Ferrer fra American Museum of Natural History og Samuel Merritt University; Lemise Saleh og Paul Vaska fra Stony Brook University; M. Eugenia Gold fra American Museum of Natural History og Suffolk University; Jesús Marugán-Lobón ved det autonome universitetet i Madrid; Mark Norell fra American Museum of Natural History; David Ouellette fra Weill Cornell Medical College; Michael Salerno fra University of Pennsylvania; Akinobu Watanabe fra American Museum of Natural History, New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine og Natural History Museum of London; og Shouyi Wei fra New York Proton Center.
Denne forskningen ble finansiert av National Science Foundation.
kilde: University of Arizona
