Увеличение мозжечка является ключом к эволюции полета птиц

Эволюционные биологи из Johns Hopkins Medicine сообщают, что они объединили ПЭТ-сканирование голубей с исследованиями окаменелостей динозавров, чтобы помочь ответить на вечный вопрос биологии: как эволюционировал мозг птиц, чтобы они могли летать? Ответ, по их словам, заключается в адаптивном увеличении размера мозжечка у некоторых ископаемых позвоночных. Мозжечок — это область мозга, отвечающая за движение и двигательный контроль.

Ученые давно считали, что мозжечок играет важную роль в полете птиц, но у них не было прямых доказательств. Чтобы определить его ценность, новое исследование объединило современные данные ПЭТ-сканирования обычных голубей с летописью окаменелостей, изучая области мозга птиц во время полета и черепные коробки динозавров.

«Полет среди позвоночных — редкое событие в истории эволюции», — сказала Эми Баланофф, доцент кафедры функциональной анатомии и эволюции Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса и первый автор опубликованного исследования.

На самом деле, по словам ученых, только три группы позвоночных, или животных с позвоночником, научились летать: вымершие птерозавры, летучие мыши и птицы.

Эти три вида не имеют тесного родства на эволюционном древе, и ключевые факторы, которые позволили летать всем трем, остались неясными.

Помимо внешних физических приспособлений для полета, таких как длинные верхние конечности, определенные виды перьев, обтекаемое тело и другие особенности, Эми Баланофф и ее коллеги разработали исследование, чтобы найти особенности, которые создают мозг, готовый к полету.

Ученые выполнили позитронно-эмиссионную томографию, или ПЭТ-сканирование — ту же технологию, которая обычно используется на людях, — чтобы сравнить активность в 26 областях мозга, когда птица находилась в состоянии покоя и сразу после того, как она в течение 10 минут летала с одного насеста на другое. Они сканировали восемь птиц в разные дни.

При ПЭТ-сканировании используется соединение, похожее на глюкозу, которое можно отследить до того места, где оно наиболее усваивается клетками мозга, что указывает на повышенное использование энергии и, следовательно, на активность. Трекер разлагается и выводится из организма в течение суток-двух.

Из 26 областей в одной области — мозжечке — наблюдалось статистически значимое увеличение уровня активности между отдыхом и полетом у всех восьми птиц. В целом уровень повышения активности мозжечка отличался более чем на два стандартных статистических отклонения по сравнению с другими областями мозга.

Исследователи также обнаружили повышенную мозговую активность в так называемых путях зрительного потока — сети клеток мозга, которые соединяют сетчатку глаза с мозжечком. Эти пути обрабатывают движение по полю зрения.

Ученые говорит, что наблюдение увеличения активности в мозжечке и путях зрительного нерва не было удивительным, поскольку предполагалось, что эти области играют роль в полете.

Новым в их исследовании было соединение данных о мозжечке современных птиц, способных летать, с летописью окаменелостей, которая показала, как мозг птицеподобных динозавров начал развивать состояния мозга, необходимые для полета.

Для этого была использована оцифрованная база данных эндокастов или слепков внутреннего пространства черепов динозавров, которые при заполнении напоминают мозг.

Ученые идентифицировали и проследили значительное увеличение объема мозжечка у некоторых из самых ранних видов динозавров-манирапторов, которые предшествовали первым появлениям механического полета среди древних родственников птиц, включая археоптерикса — крылатого динозавра.

Эми Баланофф и ее команда также обнаружили в эндокастах доказательства увеличения складок тканей в мозжечке ранних манирапторов, что указывает на увеличение сложности мозга.

Исследователи предупредили, что это ранние результаты, и изменения активности мозга во время силового полета могут также происходить и во время других действий, таких как планирование. Они также отмечают, что их тесты включали прямой полет без препятствий и по легкой траектории, а другие области мозга могут быть более активными во время сложных маневров полета.

Далее исследовательская группа планирует определить точные области в мозжечке, которые обеспечивают готовность мозга к полету и нейронные связи между этими структурами.

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the Royal Society B.