进化生物学家报告说，他们将现代鸽子的 PET 扫描与恐龙化石的研究结合起来，以帮助回答生物学中一个持久的问题：鸟类的大脑是如何进化以使它们能够飞翔的？
一只鸟——说明性照片。图片来源： Pixabay （免费Pixabay许可）
答案似乎是一些脊椎动物化石中小脑尺寸的适应性增加。小脑是鸟类大脑后部的一个区域，负责运动和运动控制。
研究结果发表在期刊上 英国皇家学会学报B程序.
研究合著者说：“我们发现，当鸟类从休息过渡到飞行时，小脑中的回路比大脑的任何其他部分都更活跃。” 保罗·吉尼亚克，亚利桑那大学副教授 图森医学院，研究神经解剖学和进化论。他还是美国自然历史博物馆的研究员。
“然后我们观察了恐龙和鸟类化石中与该区域相对应的头骨，以追踪小脑何时扩大，”吉尼亚克说。 “第一次放大脉冲发生在恐龙展翅之前，这表明鸟类飞行使用古老且保存完好的神经中继，但活动水平独特升高。”
科学家们长期以来一直认为小脑在鸟类飞行中应该很重要，但他们缺乏直接证据。为了确定其价值，这项新研究将普通鸽子的现代 PET 扫描成像数据与化石记录相结合，检查了鸟类飞行时的大脑区域和古代恐龙的脑壳。 PET 扫描显示器官和组织的运作方式。
“脊椎动物的动力飞行在进化史上是罕见的事件，”约翰·霍普金斯大学医学院的主要作者艾米·巴拉诺夫说。
事实上，只有三类脊椎动物或有脊椎的动物进化出了飞行能力：已灭绝的翼龙——中生代时期天空中的恐怖生物，距今已超过 65 万年前——蝙蝠和鸟类，巴拉诺夫说。这三个飞行群体在进化树上并没有密切的关系，并且使得这三个飞行群体能够飞行的关键因素仍不清楚。
除了飞行的外在身体适应，例如长上肢、某些种类的羽毛、流线型身体和其他特征之外，该团队还设计了研究来寻找创造飞行准备大脑的特征。
为此，研究小组邀请了纽约石溪大学的生物医学工程师来比较现代鸽子在飞行前后的大脑活动。
研究人员进行了 PET 扫描，比较这只鸟休息时和从一个栖息地飞到另一个栖息地 26 分钟后大脑 10 个区域的活动。他们在不同的日子扫描了八只鸟。 PET 扫描使用一种类似于葡萄糖的化合物，可以追踪到脑细胞吸收最多的位置，表明能量消耗增加，从而导致活动增加。追踪器会在一两天内降解并从体内排出。
在这 26 个区域中，其中一个区域（小脑）在所有八只鸟的休息和飞行之间的活动水平在统计上显着增加。总体而言，与大脑其他区域相比，小脑的活动增加水平存在显着差异。
研究人员还发现所谓的光流通路（连接眼睛视网膜和小脑的脑细胞网络）的大脑活动增加。这些通路处理视野中的运动。
巴拉诺夫说，研究小组关于小脑和视流通路活动增加的发现并不一定令人惊讶，因为这些区域被假设在飞行中发挥作用。
他们研究的新内容是将现代鸟类具有飞行能力的大脑的小脑发现与化石记录联系起来，化石记录显示了类鸟恐龙的大脑如何开始发展出用于动力飞行的大脑条件。
为此，研究小组使用了恐龙头骨内部模型的数字化数据库，填充后的模型类似于大脑。
然后，他们发现并追踪了一些最早的手盗龙物种的小脑体积的大幅增加，这些恐龙出现在古代鸟类亲戚中首次出现动力飞行之前，包括 始祖鸟，有翅膀的恐龙。
巴拉诺夫领导的研究人员还在早期手盗龙的小脑组织折叠增加的内铸中发现了证据，这表明大脑的复杂性增加。
研究人员警告说，这些都是早期发现，动力飞行期间大脑活动的变化也可能发生在滑翔等其他行为中。他们还指出，他们的测试涉及直接飞行、没有障碍物和轻松的飞行路径，并且其他大脑区域在复杂的飞行动作中可能会更加活跃。
研究小组下一步计划精确定位小脑中的精确区域，这些区域使大脑能够做好飞行准备，以及这些结构之间的神经连接。
约翰·霍普金斯大学医学院的合著者加布里埃尔·贝弗说，关于为什么大脑在整个进化史上变得更大的科学理论包括穿越新的和不同的景观的需要，为飞行和其他机车风格奠定了基础。
其他研究作者包括美国自然历史博物馆和塞缪尔·梅里特大学的伊丽莎白·费雷尔；石溪大学的 Lemise Saleh 和 Paul Vaska；美国自然历史博物馆和萨福克大学的 M. Eugenia Gold；耶稣斯马鲁格án-Lob马德里自治大学；美国自然历史博物馆的马克·诺雷尔；威尔康奈尔医学院的 David Ouellette；宾夕法尼亚大学的迈克尔·萨莱诺（Michael Salerno）；美国自然历史博物馆、纽约理工学院整骨医学学院和伦敦自然历史博物馆的 Akinobu Watanabe；和纽约质子中心的 Shouyi Wei。
该研究由国家科学基金会资助。
Sumber: 亚利桑那大学
