De hersenen van moderne vogels onthullen de evolutionaire geschiedenis van het vliegen, die teruggaat tot de dinosaurussen europahoy.new

Evolutiebiologen melden dat ze PET-scans van moderne duiven hebben gecombineerd met studies van dinosaurusfossielen om een ​​hardnekkige vraag in de biologie te helpen beantwoorden: hoe zijn de hersenen van vogels geëvolueerd om hen in staat te stellen te vliegen?

Een vogel – illustratieve foto. Afbeelding tegoed: Pixabay (Gratis Pixabay-licentie)

Het antwoord lijkt een adaptieve toename van de grootte van het cerebellum bij sommige fossiele gewervelde dieren te zijn. Het cerebellum is een gebied aan de achterkant van de hersenen van de vogel dat verantwoordelijk is voor beweging en motorische controle.

De onderzoeksresultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift. Proces van de Royal Society B.

« We ontdekten dat wanneer vogels van rust naar vlucht gaan, circuits in het cerebellum meer worden geactiveerd dan in enig ander deel van de hersenen », aldus de co-auteur van het onderzoek. Pablo Gignacuniversitair hoofddocent aan de Universiteit van Arizona College voor Geneeskunde – Tucson, het bestuderen van neuroanatomie en evolutie. Hij is ook onderzoeksmedewerker bij het American Museum of Natural History.

« Vervolgens keken we naar de schedel die overeenkomt met dit gebied in dinosaurus- en vogelfossielen om te volgen wanneer het cerebellum groter werd », zei Gignac. « De eerste versterkingspuls vond plaats voordat de dinosauriërs vluchtten, wat aantoont dat vogelvluchten gebruik maken van oude en goed bewaarde neurale relais, maar met een uniek hoog activiteitsniveau. »

Wetenschappers hebben lang gedacht dat het cerebellum belangrijk zou moeten zijn bij de vogelvlucht, maar daar ontbrak direct bewijs voor. Om de waarde ervan te bepalen, combineerde het nieuwe onderzoek gegevens van moderne PET-scanbeelden van gewone duiven met het fossielenbestand, waarbij hersengebieden van vogels tijdens de vlucht en oude dinosaurusschedels werden onderzocht. PET-scans laten zien hoe organen en weefsels werken.

‘Aangedreven vluchten tussen gewervelde dieren is een zeldzame gebeurtenis in de evolutionaire geschiedenis’, zegt hoofdauteur Amy Balanoff van de Johns Hopkins University School of Medicine.

In feite zijn slechts drie groepen gewervelde dieren, of dieren met ruggengraat, geëvolueerd om te vliegen: de uitgestorven pterosauriërs (de verschrikkingen van de hemel tijdens het Mesozoïcum, die meer dan 65 miljoen jaar geleden eindigde), vleermuizen en vogels, zei hij. . De drie vliegende groepen zijn niet nauw verwant in de evolutionaire boom, en de belangrijkste factoren die het vliegen in alle drie mogelijk maakten, blijven onduidelijk.

Naast externe fysieke aanpassingen voor het vliegen, zoals lange bovenste ledematen, bepaalde soorten veren, een gestroomlijnd lichaam en andere kenmerken, ontwierp het team onderzoek om kenmerken te vinden die een brein creëerden dat klaar was voor de vlucht.

Om dit te doen, schakelde het team biomedische ingenieurs van de Stony Brook University in New York in om de hersenactiviteit van moderne duiven voor en na de vlucht te vergelijken.

De onderzoekers voerden PET-scans uit om de activiteit in 26 hersengebieden te vergelijken toen de vogel in rust was en onmiddellijk nadat hij 10 minuten van de ene baars naar de andere had gevlogen. Ze scanden acht vogels op verschillende dagen. PET-scans maken gebruik van een glucose-achtige verbinding die kan worden getraceerd naar de plaats waar deze het meest door hersencellen wordt opgenomen, wat wijst op een verhoogd energieverbruik en dus activiteit. De tracer wordt afgebroken en binnen één tot twee dagen uit het lichaam uitgescheiden.

Van de 26 regio’s vertoonde één gebied (het cerebellum) bij alle acht vogels een statistisch significante toename in activiteitsniveau tussen rust en vlucht. Over het geheel genomen verschilde het niveau van verhoogde activiteit in het cerebellum aanzienlijk vergeleken met andere hersengebieden.

De onderzoekers ontdekten ook een toename van de hersenactiviteit in de zogenaamde optische stroompaden, een netwerk van hersencellen dat het netvlies van het oog verbindt met het cerebellum. Deze routes verwerken bewegingen over het gezichtsveld.

Balanoff zei dat de bevindingen van het team over verhoogde activiteit in het cerebellum en de optische stroombanen niet noodzakelijkerwijs verrassend waren, omdat wordt verondersteld dat deze gebieden een rol spelen tijdens de vlucht.

Wat nieuw was in hun onderzoek was het koppelen van bevindingen in het cerebellum van hersenen die kunnen vliegen bij moderne vogels met het fossielenbestand dat laat zien hoe de hersenen van vogelachtige dinosaurussen hersencondities begonnen te ontwikkelen voor gemotoriseerde vluchten.

Om dit te doen gebruikte het team een ​​gedigitaliseerde database van endocasts, oftewel afgietsels van de interne ruimte van dinosaurusschedels, die, wanneer ze gevuld zijn, op de hersenen lijken.

Vervolgens identificeerden en traceerden ze een aanzienlijke toename in het volume van het cerebellum bij enkele van de vroegste maniraptoran-dinosaurussoorten, die voorafgingen aan de eerste verschijningen van gemotoriseerde vluchten onder oude vogelverwanten, waaronder Archeopteryxeen gevleugelde dinosaurus.

Onderzoekers onder leiding van Balanoff vonden in de endocasts ook bewijs van een toename van de weefselvouwing in het cerebellum van vroege maniraptoranen, een indicatie van een toenemende complexiteit van de hersenen.

De onderzoekers waarschuwden dat dit de eerste bevindingen zijn en dat veranderingen in de hersenactiviteit tijdens een gemotoriseerde vlucht ook kunnen optreden tijdens ander gedrag, zoals zweefvliegen. Ze merken ook op dat hun tests eenvoudige, obstakelvrije vluchten met een gemakkelijke vliegroute betroffen, en dat andere delen van de hersenen mogelijk actiever zijn tijdens complexe vliegmanoeuvres.

Het onderzoeksteam is van plan precieze gebieden in het cerebellum te identificeren die een vluchtklaar brein en de neurale verbindingen tussen deze structuren mogelijk maken.

Wetenschappelijke theorieën over waarom de hersenen door de evolutionaire geschiedenis heen groeien, omvatten de noodzaak om nieuwe en verschillende landschappen te doorkruisen, waardoor de weg wordt geëffend voor vluchten en andere bewegingsstijlen, zei co-auteur Gabriel Bever van de School of Medicine van de universiteit, Johns Hopkins.

Andere auteurs van de studie zijn onder meer Elizabeth Ferrer van het American Museum of Natural History en Samuel Merritt University; Lemise Saleh en Paul Vaska van de Stony Brook Universiteit; M. Eugenia Gold van het American Museum of Natural History en de Universiteit van Suffolk; JezusMaruginn-Lobvan de Autonome Universiteit van Madrid; Mark Norell van het American Museum of Natural History; David Ouellette van het Weill Cornell Medical College; Michael Salerno van de Universiteit van Pennsylvania; Akinobu Watanabe van het American Museum of Natural History, de New York Institute of Technology School of Osteopathic Medicine en het Natural History Museum, Londen; en Shouyi Wei van het Proton Center in New York.

Dit onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation.

Fontein: Universiteit van Arizona