演化生物學家報告說，他們將現代鴿子的 PET 掃描與恐龍化石的研究結合起來，以幫助回答生物學中一個持久的問題：鳥類的大腦是如何進化以使它們能夠飛翔的？
一隻鳥——說明性照片。圖片來源： Pixabay （免費Pixabay授權）
答案似乎是一些脊椎動物化石中小腦尺寸的適應性增加。小腦是鳥類大腦後部的一個區域，負責運動和運動控制。
研究結果發表在期刊上 英國皇家學會學報B論文集.
研究合著者說：“我們發現，當鳥類從休息過渡到飛行時，小腦中的迴路比大腦的任何其他部分都更活躍。” 保羅·吉尼亞克，亞利桑那大學副教授 圖森醫學院，研究神經解剖學和進化論。他也是美國自然史博物館的研究員。
「然後我們觀察了恐龍和鳥類化石中與該區域相對應的頭骨，以追蹤小腦何時擴大，」吉尼亞克說。 「第一次放大脈衝發生在恐龍展翅之前，這表明鳥類飛行使用古老且保存完好的神經中繼，但活動水平獨特升高。”
科學家長期以來一直認為小腦在鳥類飛行中應該很重要，但他們缺乏直接證據。為了確定其價值，這項新研究將普通鴿子的現代 PET 掃描成像數據與化石記錄相結合，檢查了鳥類飛行時的大腦區域和古代恐龍的腦殼。 PET 掃描顯示器官和組織的運作方式。
「脊椎動物的動力飛行在演化史上是罕見的事件，」約翰霍普金斯大學醫學院的主要作者艾米·巴拉諾夫說。
事實上，只有三類脊椎動物或有脊椎的動物進化出了飛行能力：已滅絕的翼龍——中生代時期天空中的恐怖生物，距今已超過65 萬年前——蝙蝠和鳥類，巴拉諾夫說。這三個飛行群體在演化樹上並沒有密切的關係，使得這三個飛行群體能夠飛行的關鍵因素仍不清楚。
除了飛行的外在身體適應，例如長上肢、某些種類的羽毛、流線型身體和其他特徵之外，團隊還設計了研究來尋找創造飛行準備大腦的特徵。
為此，研究團隊邀請了紐約石溪大學的生物醫學工程師來比較現代鴿子在飛行前後的大腦活動。
研究人員進行了 PET 掃描，比較這隻鳥休息時和從一個棲息地飛到另一個棲息地 26 分鐘後大腦 10 個區域的活動。他們在不同的日子掃描了八隻鳥。 PET 掃描使用類似葡萄糖的化合物，可以追蹤到腦細胞吸收最多的位置，顯示能量消耗增加，從而導致活動增加。追蹤器會在一兩天內降解並從體內排出。
在這 26 個區域中，其中一個區域（小腦）在所有八隻鳥的休息和飛行之間的活動水平在統計上顯著增加。總體而言，與大腦其他區域相比，小腦的活動增加程度有顯著差異。
研究人員還發現所謂的光流通路（連接眼睛視網膜和小腦的腦細胞網絡）的大腦活動增加。這些通路處理視野中的移動。
巴拉諾夫說，研究小組關於小腦和視流通路活動增加的發現並不一定令人驚訝，因為這些區域被假設在飛行中發揮作用。
他們研究的新內容是將現代鳥類具有飛行能力的大腦的小腦發現與化石記錄聯繫起來，化石記錄顯示了類鳥恐龍的大腦如何開始發展出用於動力飛行的大腦條件。
為此，研究團隊使用了恐龍頭骨內部模型的數位資料庫，填充後的模型類似於大腦。
然後，他們發現並追蹤了一些最早的手盜龍物種的小腦體積的大幅增加，這些恐龍出現在古代鳥類親戚中首次出現動力飛行之前，包括 始祖鳥，有翅膀的恐龍。
巴拉諾夫領導的研究人員也在早期手盜龍的小腦組織折疊增加的內鑄中發現了證據，這表明大腦的複雜性增加。
研究人員警告說，這些都是早期發現，動力飛行期間大腦活動的變化也可能發生在滑翔等其他行為。他們還指出，他們的測試涉及直接飛行、沒有障礙物和輕鬆的飛行路徑，並且其他大腦區域在複雜的飛行動作中可能會更加活躍。
研究小組下一步計畫精確定位小腦中的精確區域，這些區域使大腦能夠做好飛行準備，以及這些結構之間的神經連結。
約翰霍普金斯大學醫學院的合著者加布里埃爾貝弗說，關於為什麼大腦在整個進化史上變得更大的科學理論包括穿越新的和不同的景觀的需要，為飛行和其他機車風格奠定了基礎。
其他研究作者包括美國自然歷史博物館和塞繆爾梅里特大學的伊麗莎白費雷爾；石溪大學的 Lemise Saleh 和 Paul Vaska；美國自然歷史博物館和薩福克大學的 M. Eugenia Gold；耶穌斯馬魯格án-Lob馬德里自治大學；美國自然史博物館的馬克‧諾雷爾；威爾康奈爾醫學院的 David Ouellette；賓州大學的麥可‧薩萊諾（Michael Salerno）；美國自然歷史博物館、紐約理工學院整骨醫學學院和倫敦自然歷史博物館的 Akinobu Watanabe；和紐約質子中心的 Shouyi Wei。
這項研究由美國國家科學基金會資助。
資源： 亞利桑那大學
