I moderni cervelli degli uccelli rivelano la storia evolutiva del volo, risalente ai dinosauri

I biologi evoluzionisti riferiscono di aver combinato le scansioni PET dei piccioni moderni con gli studi sui fossili di dinosauro per aiutare a rispondere a una domanda costante in biologia: come si è evoluto il cervello degli uccelli per consentire loro di volare?

La risposta sembra essere un aumento adattativo delle dimensioni del cervelletto in alcuni vertebrati fossili. Il cervelletto è una regione nella parte posteriore del cervello degli uccelli responsabile del movimento e del controllo motorio.

I risultati della ricerca sono pubblicati sulla rivista Atti della Royal Society B.

“Abbiamo scoperto che quando gli uccelli passano dal riposo al volo, i circuiti nel cervelletto vengono attivati ​​più che in qualsiasi altra parte del cervello”, ha affermato il coautore dello studio. Paolo Gignacprofessore associato presso l’Università dell’Arizona Facoltà di Medicina – Tucson, studiando neuroanatomia ed evoluzione. È anche ricercatore associato presso l’American Museum of Natural History.

“Abbiamo poi esaminato il cranio corrispondente a questa regione nei fossili di dinosauri e uccelli per tracciare quando il cervelletto si è ingrandito”, ha detto Gignac. “Il primo impulso di allargamento si è verificato prima che i dinosauri prendessero il volo, il che dimostra che il volo aviario utilizza relè neurali antichi e ben conservati, ma con livelli di attività particolarmente elevati”.

Gli scienziati hanno a lungo pensato che il cervelletto dovesse essere importante nel volo degli uccelli, ma mancavano prove dirette. Per individuarne il valore, la nuova ricerca ha combinato i dati delle moderne scansioni PET di piccioni comuni con i reperti fossili, esaminando le regioni del cervello degli uccelli durante il volo e le scatole craniche degli antichi dinosauri. Le scansioni PET mostrano come funzionano organi e tessuti.

“Il volo a motore tra i vertebrati è un evento raro nella storia dell’evoluzione”, ha affermato l’autrice principale Amy Balanoff, della Johns Hopkins University School of Medicine.

In effetti, solo tre gruppi di vertebrati, o animali con una spina dorsale, si sono evoluti per volare: gli pterosauri estinti – i terrori del cielo durante il periodo mesozoico, terminato oltre 65 milioni di anni fa – pipistrelli e uccelli, ha detto Balanoff. I tre gruppi volanti non sono strettamente correlati sull’albero evolutivo, e i fattori chiave che hanno consentito il volo in tutti e tre sono rimasti poco chiari.

Oltre agli adattamenti fisici esteriori per il volo, come arti superiori lunghi, alcuni tipi di piume, un corpo snello e altre caratteristiche, il team ha progettato la ricerca per trovare caratteristiche che creassero un cervello pronto al volo.

Per fare ciò, il team ha coinvolto ingegneri biomedici della Stony Brook University di New York per confrontare l’attività cerebrale dei piccioni moderni prima e dopo il volo.

I ricercatori hanno eseguito scansioni PET per confrontare l’attività in 26 regioni del cervello quando l’uccello era a riposo e subito dopo aver volato per 10 minuti da un trespolo all’altro. Hanno scansionato otto uccelli in giorni diversi. Le scansioni PET utilizzano un composto simile al glucosio che può essere rintracciato dove viene maggiormente assorbito dalle cellule cerebrali, indicando un maggiore utilizzo di energia e quindi di attività. Il localizzatore si degrada e viene espulso dal corpo entro un giorno o due.

Delle 26 regioni, un’area – il cervelletto – ha avuto aumenti statisticamente significativi nei livelli di attività tra il riposo e il volo in tutti gli otto uccelli. Nel complesso, il livello di aumento di attività nel cervelletto differiva in modo significativo rispetto ad altre aree del cervello.

I ricercatori hanno anche rilevato un aumento dell’attività cerebrale nelle cosiddette vie del flusso ottico, una rete di cellule cerebrali che collega la retina dell’occhio al cervelletto. Questi percorsi elaborano il movimento attraverso il campo visivo.

Balanoff ha affermato che i risultati del team sull’aumento dell’attività nel cervelletto e nelle vie del flusso ottico non sono stati necessariamente sorprendenti, dal momento che si è ipotizzato che queste aree svolgano un ruolo nel volo.

La novità nella loro ricerca è stata il collegamento dei risultati del cervelletto dei cervelli abilitati al volo negli uccelli moderni ai reperti fossili che mostravano come i cervelli dei dinosauri simili agli uccelli iniziarono a sviluppare le condizioni cerebrali per il volo a motore.

Per fare ciò, il team ha utilizzato un database digitalizzato di endocalchi, o stampi dello spazio interno dei teschi di dinosauro, che, una volta riempiti, assomigliano al cervello.

Hanno quindi identificato e fatto risalire ad alcune delle prime specie di dinosauri maniraptori, un aumento considerevole del volume del cervelletto, che precedette la prima apparizione del volo a motore tra gli antichi parenti degli uccelli, tra cui Archeopterigeun dinosauro alato.

I ricercatori guidati da Balanoff hanno anche trovato prove negli endocalchi di un aumento del ripiegamento dei tessuti nel cervelletto dei primi maniraptori, un’indicazione di una crescente complessità del cervello.

I ricercatori hanno avvertito che questi sono i primi risultati e che i cambiamenti dell’attività cerebrale durante il volo a motore potrebbero verificarsi anche durante altri comportamenti, come il volo a vela. Notano anche che i loro test prevedevano un volo diretto, senza ostacoli e con una traiettoria di volo facile, e che altre regioni del cervello potrebbero essere più attive durante manovre di volo complesse.

Il team di ricerca intende inoltre individuare le aree precise del cervelletto che consentono un cervello pronto al volo e le connessioni neurali tra queste strutture.

Le teorie scientifiche sul perché il cervello diventa più grande nel corso della storia evolutiva includono la necessità di attraversare paesaggi nuovi e diversi, ponendo le basi per il volo e altri stili di locomozione, ha affermato il coautore Gabriel Bever della Johns Hopkins University School of Medicine.

Altri autori dello studio includono Elizabeth Ferrer dell’American Museum of Natural History e della Samuel Merritt University; Lemise Saleh e Paul Vaska della Stony Brook University; M. Eugenia Gold del Museo Americano di Storia Naturale e dell’Università di Suffolk; Gesùs MarugUNn-Lobón dell’Università Autonoma di Madrid; Mark Norell del Museo Americano di Storia Naturale; David Ouellette del Weill Cornell Medical College; Michael Salerno dell’Università della Pennsylvania; Akinobu Watanabe del Museo Americano di Storia Naturale, del New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine e del Museo di Storia Naturale di Londra; e Shouyi Wei del Proton Center di New York.

Questa ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation.

Fonte: Università dell’Arizona