Các nhà sinh học tiến hóa báo cáo rằng họ đã kết hợp các bản quét PET của chim bồ câu hiện đại cùng với các nghiên cứu về hóa thạch khủng long để giúp trả lời một câu hỏi muôn thuở trong sinh học: Bộ não của loài chim tiến hóa như thế nào để giúp chúng bay được?
Một con chim - ảnh minh họa. Tín dụng hình ảnh: Pixabay (Giấy phép Pixabay miễn phí)
Câu trả lời dường như là sự gia tăng thích ứng về kích thước tiểu não ở một số động vật có xương sống hóa thạch. Tiểu não là vùng phía sau não chim chịu trách nhiệm điều khiển chuyển động và vận động.
Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Kỷ yếu của Hội Hoàng gia B.
Đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng khi chim chuyển từ trạng thái nghỉ sang trạng thái bay, các mạch trong tiểu não được kích hoạt nhiều hơn bất kỳ phần nào khác của não”. Paul Gignac, phó giáo sư tại Đại học Arizona Đại học Y - Tucson, nghiên cứu giải phẫu thần kinh và tiến hóa. Ông cũng là cộng tác viên nghiên cứu của Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ.
Gignac cho biết: “Sau đó, chúng tôi xem xét hộp sọ tương ứng với vùng này trong hóa thạch khủng long và chim để theo dõi thời điểm tiểu não mở rộng. “Đợt mở rộng đầu tiên xảy ra trước khi khủng long cất cánh, điều này cho thấy chuyến bay của loài chim sử dụng các rơ-le thần kinh cổ xưa và được bảo tồn tốt, nhưng có mức độ hoạt động cao đặc biệt.”
Các nhà khoa học từ lâu đã cho rằng tiểu não đóng vai trò quan trọng trong quá trình bay của chim, nhưng họ thiếu bằng chứng trực tiếp. Để xác định giá trị của nó, nghiên cứu mới đã kết hợp dữ liệu hình ảnh quét PET hiện đại của chim bồ câu bình thường với hồ sơ hóa thạch, kiểm tra vùng não của loài chim trong quá trình bay và hộp sọ của khủng long cổ đại. Quét PET cho thấy các cơ quan và mô đang hoạt động như thế nào.
Tác giả chính Amy Balanoff, từ Trường Y thuộc Đại học Johns Hopkins, cho biết: “Chuyến bay được hỗ trợ giữa các loài động vật có xương sống là một sự kiện hiếm gặp trong lịch sử tiến hóa”.
Trên thực tế, chỉ có ba nhóm động vật có xương sống hoặc động vật có xương sống tiến hóa để bay: loài dực long đã tuyệt chủng – nỗi kinh hoàng trên bầu trời trong thời kỳ Mesozoi, kết thúc hơn 65 triệu năm trước – dơi và chim, Balanoff cho biết. Ba nhóm bay không có liên quan chặt chẽ trên cây tiến hóa và các yếu tố chính tạo nên chuyến bay ở cả ba nhóm này vẫn chưa rõ ràng.
Bên cạnh những đặc điểm thể chất thích nghi bên ngoài để bay, chẳng hạn như chi trên dài, một số loại lông, cơ thể thon gọn và các đặc điểm khác, nhóm nghiên cứu đã thiết kế nghiên cứu để tìm ra những đặc điểm tạo ra bộ não sẵn sàng cho chuyến bay.
Để làm như vậy, nhóm nghiên cứu đã bao gồm các kỹ sư y sinh tại Đại học Stony Brook ở New York để so sánh hoạt động não của chim bồ câu hiện đại trước và sau khi bay.
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện quét PET để so sánh hoạt động ở 26 vùng não khi con chim ở trạng thái nghỉ ngơi và ngay sau khi nó bay từ chỗ này sang chỗ khác trong 10 phút. Họ quét tám con chim vào những ngày khác nhau. Quét PET sử dụng một hợp chất tương tự như glucose có thể được theo dõi đến nơi nó được các tế bào não hấp thụ nhiều nhất, cho thấy mức sử dụng năng lượng và hoạt động tăng lên. Thiết bị theo dõi xuống cấp và bị đào thải khỏi cơ thể trong vòng một hoặc hai ngày.
Trong số 26 khu vực, một khu vực – tiểu não – có sự gia tăng đáng kể về mặt thống kê về mức độ hoạt động giữa lúc nghỉ và khi bay ở cả XNUMX loài chim. Nhìn chung, mức độ tăng cường hoạt động ở tiểu não khác biệt đáng kể so với các vùng khác của não.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện hoạt động não tăng lên trong cái gọi là đường dẫn quang, một mạng lưới các tế bào não kết nối võng mạc trong mắt với tiểu não. Những con đường này xử lý chuyển động trên trường thị giác.
Balanoff cho biết những phát hiện của nhóm nghiên cứu về sự gia tăng hoạt động trong tiểu não và đường dẫn dòng quang học không hẳn là đáng ngạc nhiên, vì các khu vực này được cho là có vai trò trong hoạt động bay.
Điều mới trong nghiên cứu của họ là liên kết những phát hiện về tiểu não của bộ não có khả năng bay ở các loài chim hiện đại với hồ sơ hóa thạch cho thấy bộ não của loài khủng long giống chim bắt đầu phát triển các điều kiện não để bay được hỗ trợ như thế nào.
Để làm như vậy, nhóm nghiên cứu đã sử dụng cơ sở dữ liệu số hóa về nội tiết hoặc khuôn của không gian bên trong hộp sọ khủng long, khi được lấp đầy sẽ giống với bộ não.
Sau đó, họ xác định và theo dõi sự gia tăng đáng kể về thể tích tiểu não ở một số loài khủng long maniraptoran sớm nhất, trước sự xuất hiện đầu tiên của chuyến bay có động cơ giữa các họ hàng chim cổ đại, bao gồm cả archaeopteryx, một con khủng long có cánh.
Các nhà nghiên cứu do Balanoff dẫn đầu cũng tìm thấy bằng chứng trong các tế bào nội tiết về sự gia tăng nếp gấp mô trong tiểu não của những người maniraptoran thời kỳ đầu, một dấu hiệu cho thấy sự phức tạp của não ngày càng tăng.
Các nhà nghiên cứu cảnh báo rằng đây là những phát hiện ban đầu và những thay đổi trong hoạt động của não trong chuyến bay có động cơ cũng có thể xảy ra trong các hành vi khác, chẳng hạn như lướt đi. Họ cũng lưu ý rằng các thử nghiệm của họ liên quan đến việc bay thẳng, không có chướng ngại vật và có đường bay dễ dàng, đồng thời các vùng não khác có thể hoạt động tích cực hơn trong các thao tác bay phức tạp.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu lên kế hoạch xác định chính xác các khu vực trong tiểu não giúp bộ não sẵn sàng bay và các kết nối thần kinh giữa các cấu trúc này.
Đồng tác giả Gabriel Bever của Trường Y thuộc Đại học Johns Hopkins cho biết các lý thuyết khoa học về lý do tại sao bộ não trở nên lớn hơn trong suốt lịch sử tiến hóa bao gồm nhu cầu đi qua những cảnh quan mới và khác nhau, tạo tiền đề cho chuyến bay và các kiểu đầu máy khác.
Các tác giả nghiên cứu khác bao gồm Elizabeth Ferrer của Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ và Đại học Samuel Merritt; Lemise Saleh và Paul Vaska của Đại học Stony Brook; M. Eugenia Gold của Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ và Đại học Suffolk; Chúa Giêsus Marugán-Thùyón của Đại học Tự trị Madrid; Mark Norell của Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ; David Ouellette của Trường Cao đẳng Y tế Weill Cornell; Michael Salerno của Đại học Pennsylvania; Akinobu Watanabe của Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ, Viện Công nghệ New York, Trường Cao đẳng Y học Nắn xương và Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Luân Đôn; và Shouyi Wei của Trung tâm Proton New York.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia.
nguồn: Đại học Arizona
