Evolutionsbiologer rapporterar att de har kombinerat PET-skanningar av moderna duvor tillsammans med studier av dinosauriefossil för att hjälpa till att svara på en bestående fråga inom biologin: Hur utvecklades fåglarnas hjärnor för att de skulle kunna flyga?
En fågel – illustrativt foto. Bildkredit: Pixabay (Gratis Pixabay-licens)
Svaret verkar vara en adaptiv ökning av storleken på lillhjärnan hos vissa fossila ryggradsdjur. Lillhjärnan är en region på baksidan av fågelhjärnan som ansvarar för rörelse och motorisk kontroll.
Forskningsresultaten publiceras i tidskriften Förlopp av Royal Society B.
"Vi fann att när fåglar övergår från vila till flygning, aktiveras kretsar i lillhjärnan mer än i någon annan del av hjärnan," sa studiens medförfattare Paul Gignac, en docent vid University of Arizona College of Medicine - Tucson, studerar neuroanatomi och evolution. Han är också forskarassistent för American Museum of Natural History.
"Vi tittade sedan på skallen som motsvarar denna region i dinosaurie- och fågelfossiler för att spåra när lillhjärnan förstorades," sa Gignac. "Den första pulsen av utvidgningen inträffade innan dinosaurierna tog vingar, vilket visar att fågelflyg använder uråldriga och välbevarade neurala reläer, men med unikt förhöjda aktivitetsnivåer."
Forskare har länge trott att lillhjärnan borde vara viktig vid fågelflyg, men de saknade direkta bevis. För att fastställa dess värde kombinerade den nya forskningen moderna PET-skanningsdata från vanliga duvor med fossilregistret, och undersökte hjärnregioner hos fåglar under flygning och hjärnceller hos forntida dinosaurier. PET-skanningar visar hur organ och vävnader fungerar.
"Powered flight bland ryggradsdjur är en sällsynt händelse i evolutionens historia", säger huvudförfattaren Amy Balanoff, från Johns Hopkins University School of Medicine.
Faktum är att bara tre grupper av ryggradsdjur, eller djur med ryggrad, utvecklades för att flyga: utdöda pterosaurier – himlens skräck under mesozoiken, som slutade för över 65 miljoner år sedan – fladdermöss och fåglar, sa Balanoff. De tre flygande grupperna är inte nära besläktade på det evolutionära trädet, och nyckelfaktorerna som möjliggjorde flygning i alla tre har förblivit oklara.
Förutom de yttre fysiska anpassningarna för flygning, såsom långa övre extremiteter, vissa typer av fjädrar, en strömlinjeformad kropp och andra funktioner, designade teamet forskning för att hitta funktioner som skapade en flygfärdig hjärna.
För att göra det inkluderade teamet biomedicinska ingenjörer vid Stony Brook University i New York för att jämföra hjärnaktiviteten hos moderna duvor före och efter flygning.
Forskarna utförde PET-skanningar för att jämföra aktiviteten i 26 delar av hjärnan när fågeln var i vila och direkt efter att den flög i 10 minuter från en abborre till en annan. De skannade åtta fåglar på olika dagar. PET-skanningar använder en förening som liknar glukos som kan spåras till där den absorberas mest av hjärnceller, vilket indikerar ökad användning av energi och därmed aktivitet. Trackern bryts ned och utsöndras från kroppen inom en dag eller två.
Av de 26 regionerna hade ett område – lillhjärnan – statistiskt signifikanta ökningar av aktivitetsnivåer mellan vila och flygning hos alla åtta fåglarna. Totalt sett skiljde sig aktivitetsökningen i lillhjärnan signifikant, jämfört med andra delar av hjärnan.
Forskarna upptäckte också ökad hjärnaktivitet i de så kallade optiska flödesbanorna, ett nätverk av hjärnceller som förbinder näthinnan i ögat med lillhjärnan. Dessa vägar bearbetar rörelse över synfältet.
Balanoff sa att lagets upptäckter av aktivitetsökning i lillhjärnan och optiska flödesvägar inte nödvändigtvis var förvånande, eftersom områdena har antagits spela en roll i flygningen.
Det som var nytt i deras forskning var att koppla lillhjärnans fynd av flygaktiverade hjärnor hos moderna fåglar till fossilregistret som visade hur hjärnorna hos fågelliknande dinosaurier började utveckla hjärnförhållanden för driven flygning.
För att göra det använde teamet en digitaliserad databas med endocasts, eller formar av det inre utrymmet hos dinosaurieskallar, som, när de fylls, liknar hjärnan.
De identifierade och spårade sedan en avsevärd ökning av lillhjärnans volym till några av de tidigaste arterna av maniraptoran-dinosaurier, som föregick de första framträdanden av motordriven flygning bland forntida fågelsläktingar, inklusive Archaeopteryx, en bevingad dinosaurie.
Forskarna ledda av Balanoff fann också bevis i endokasterna för en ökning av vävnadsveckning i lillhjärnan hos tidiga maniraptoraner, en indikation på ökad hjärnans komplexitet.
Forskarna varnade för att dessa är tidiga fynd, och förändringar i hjärnans aktivitet under motorflygning kan också inträffa under andra beteenden, såsom glidning. De noterar också att deras tester involverade enkel flygning, utan hinder och med en enkel flygbana, och andra hjärnregioner kan vara mer aktiva under komplexa flygmanövrar.
Forskargruppen planerar bredvid att peka ut exakta områden i lillhjärnan som möjliggör en flygfärdig hjärna och de neurala kopplingarna mellan dessa strukturer.
Vetenskapliga teorier för varför hjärnan blir större genom evolutionens historia inkluderar behovet av att korsa nya och annorlunda landskap, sätta scenen för flygning och andra lokomotivstilar, sa medförfattaren Gabriel Bever från Johns Hopkins University School of Medicine.
Andra studieförfattare inkluderar Elizabeth Ferrer från American Museum of Natural History och Samuel Merritt University; Lemise Saleh och Paul Vaska från Stony Brook University; M. Eugenia Gold från American Museum of Natural History och Suffolk University; Jesús Marugán-Lobón vid det autonoma universitetet i Madrid; Mark Norell från American Museum of Natural History; David Ouellette från Weill Cornell Medical College; Michael Salerno från University of Pennsylvania; Akinobu Watanabe från American Museum of Natural History, New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine och Natural History Museum of London; och Shouyi Wei från New York Proton Center.
Denna forskning finansierades av National Science Foundation.
Källa: University of Arizona
