Биологи-эволюционисты из Johns Hopkins Medicine сообщают, что они объединили ПЭТ-сканирование современных голубей с исследованиями окаменелостей динозавров, чтобы ответить на вечный вопрос биологии: как развился мозг птиц, позволивший им 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.

Результаты исследования опубликованы в номере журнала от 31 января. Труды Королевского общества B.

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 древних динозавров.

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

На самом деле, говорит Баланофф, только три группы позвоночных, или животных с позвоночником, научились летать: вымершие птерозавры (ужасы неба в мезозойский период, который закончился более 65 миллионов лет назад), летучие мыши и птицы.

Эти три вида не имеют тесного родства на эволюционном древе, и ключевые факторы или 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, Баланофф и ее коллеги разработали исследование, чтобы найти особенности, которые создают мозг, готовый к полету.

Для этого она работала с биомедицинскими инженерами из Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке, чтобы сравнить активность мозга современных голубей до и после полета.

Исследователи 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.

Баланофф говорит, что их результаты увеличения активности в мозжечке и путях зрительного нерва не были удивительными, поскольку предполагалось, что эти области играют роль в полете. Новым в их исследованиях было объединение данных о мозжечке современных птиц, способных летать, с летописью окаменелостей, которая показала, как мозг птицеподобных динозавров начал развивать состояния мозга, необходимые для полета с помощью двигателя.

Для этого Баланофф использовал оцифрованную базу данных эндокастов или слепков внутреннего пространства черепов динозавров, которые при заполнении напоминают мозг. Она идентифицировала и проследила значительное увеличение объема мозжечка у некоторых из самых ранних видов динозавров-манирапторов, которые предшествовали первым проявлениям механического полета среди древних родственников птиц, включая археоптерикса, крылатого динозавра.

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 полета с двигателем 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, и что 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.

Научные теории о том, почему мозг становится больше на протяжении всей эволюционной истории, включают необходимость пересекать новые и разные ландшафты, подготавливая почву для полета и других стилей передвижения, говорит Габриэль Бевер, доктор философии, доцент кафедры функциональной анатомии и эволюции в Университете Джонса. Медицинский факультет Университета Хопкинса.

«Биомедицинское сообщество Университета Джонса Хопкинса располагает широким набором инструментов и технологий, которые помогут нам понять историю эволюции и связать наши выводы с фундаментальными исследованиями того, как работает мозг», — добавляет он.