Wissenschaftler sehen im Wachstum des Kleinhirns den Schlüssel zur Entwicklung des Vogelflugs

Evolutionsbiologen von Johns Hopkins Medicine berichten, dass sie PET-Scans moderner Tauben mit Studien von Dinosaurierfossilien kombiniert haben, um eine bleibende Frage der Biologie zu beantworten: Wie hat sich das Gehirn von Vögeln entwickelt, um ihnen das Fliegen zu ermöglichen?

Die Antwort, so sagen sie, scheint eine adaptive Vergrößerung des Kleinhirns bei einigen fossilen Wirbeltieren zu sein. Das Kleinhirn ist eine Gehirnregion, die für Bewegung und motorische Kontrolle verantwortlich ist.

Die Forschungsergebnisse sind veröffentlicht in der Ausgabe vom 31. Januar des Verfahren der Royal Society B.

Wissenschaftler sind seit langem davon ausgegangen, dass das Kleinhirn für den Vogelflug wichtig sein sollte, es fehlten jedoch direkte Beweise. Um ihren Wert zu ermitteln, kombinierte die neue Forschung moderne PET-Scan-Bilddaten gewöhnlicher Tauben mit dem Fossilienbestand und untersuchte Gehirnregionen von Vögeln während des Fluges und Gehirngehäuse antiker Dinosaurier.

„Motorflüge bei Wirbeltieren sind ein seltenes Ereignis in der Evolutionsgeschichte“, sagt Amy Balanoff, Ph.D., Assistenzprofessorin für funktionelle Anatomie und Evolution an der Johns Hopkins University School of Medicine und Erstautorin der veröffentlichten Forschung.

Tatsächlich, sagt Balanoff, haben sich nur drei Gruppen von Wirbeltieren oder Tieren mit Rückgrat zum Fliegen entwickelt: ausgestorbene Flugsaurier (die Schrecken des Himmels während des Mesozoikums, das vor über 65 Millionen Jahren endete), Fledermäuse und Vögel.

Die drei Arten sind im Evolutionsstammbaum nicht eng miteinander verwandt, und die Schlüsselfaktoren oder Faktoren, die bei allen dreien den Flug ermöglichten, blieben unklar.

Neben den äußeren körperlichen Anpassungen für den Flug, wie lange obere Gliedmaßen, bestimmte Arten von Federn, ein stromlinienförmiger Körper und andere Merkmale, konzipierten Balanoff und ihre Kollegen Forschungen, um Merkmale zu finden, die ein flugbereites Gehirn hervorbringen.

Dazu arbeitete sie mit biomedizinischen Ingenieuren an der Stony Brook University in New York zusammen, um die Gehirnaktivität moderner Tauben vor und nach dem Flug zu vergleichen.

Die Forscher führten Positronen-Emissions-Tomographie oder PET-Bildgebungsscans durch, die gleiche Technologie, die üblicherweise bei Menschen verwendet wird, um die Aktivität in 26 Regionen des Gehirns zu vergleichen, wenn der Vogel in Ruhe war und unmittelbar nachdem er 10 Minuten lang von einem Sitzplatz zum anderen geflogen war. Sie haben an verschiedenen Tagen acht Vögel gescannt.

Bei PET-Scans wird eine Glukose-ähnliche Verbindung verwendet, die bis zu der Stelle verfolgt werden kann, an der sie von den Gehirnzellen am stärksten absorbiert wird, was auf einen erhöhten Energieverbrauch und damit auf eine erhöhte Aktivität hinweist. Der Tracker zersetzt sich und wird innerhalb von ein oder zwei Tagen aus dem Körper ausgeschieden.

Von den 26 Regionen verzeichnete ein Bereich – das Kleinhirn – bei allen acht Vögeln einen statistisch signifikanten Anstieg des Aktivitätsniveaus zwischen Ruhe und Flug. Insgesamt unterschied sich der Aktivitätsanstieg im Kleinhirn um mehr als zwei statistische Standardabweichungen im Vergleich zu anderen Bereichen des Gehirns.

Die Forscher stellten außerdem eine erhöhte Gehirnaktivität in den sogenannten optischen Flussbahnen fest, einem Netzwerk von Gehirnzellen, die die Netzhaut im Auge mit dem Kleinhirn verbinden. Diese Bahnen verarbeiten Bewegungen im gesamten Gesichtsfeld.

Laut Balanoff waren ihre Erkenntnisse über eine erhöhte Aktivität im Kleinhirn und in den optischen Flussbahnen nicht unbedingt überraschend, da angenommen wurde, dass diese Bereiche beim Fliegen eine Rolle spielen. Das Neue an ihrer Forschung war die Verknüpfung der Kleinhirnbefunde flugfähiger Gehirne moderner Vögel mit dem Fossilienbestand, der zeigte, wie die Gehirne vogelähnlicher Dinosaurier begannen, Gehirnbedingungen für den Motorflug zu entwickeln.

Dazu nutzte Balanoff eine digitalisierte Datenbank mit Endocasts oder Abdrücken des Innenraums von Dinosaurierschädeln, die, wenn sie gefüllt sind, dem Gehirn ähneln. Sie identifizierte und verfolgte eine beträchtliche Zunahme des Kleinhirnvolumens bei einigen der frühesten Arten von Maniraptoran-Dinosauriern, die dem ersten Auftreten von Motorflügen bei alten Vogelverwandten, einschließlich Archaeopteryx, einem geflügelten Dinosaurier, vorausgingen.

Balanoff und ihr Team fanden in den Endocasts auch Hinweise auf eine Zunahme der Gewebefaltung im Kleinhirn früher Maniraptoraner, ein Hinweis auf eine zunehmende Komplexität des Gehirns.

Die Forscher warnten, dass es sich hierbei um frühe Erkenntnisse handele und dass Veränderungen der Gehirnaktivität während des Motorflugs auch bei anderen Verhaltensweisen, etwa beim Gleiten, auftreten könnten. Sie weisen außerdem darauf hin, dass es sich bei ihren Tests um direktes Fliegen ohne Hindernisse und mit einer einfachen Flugbahn handelte und dass andere Gehirnregionen bei komplexen Flugmanövern möglicherweise aktiver sind.

Als nächstes plant das Forschungsteam, präzise Bereiche im Kleinhirn zu lokalisieren, die ein flugbereites Gehirn ermöglichen, sowie die neuronalen Verbindungen zwischen diesen Strukturen.

Wissenschaftliche Theorien darüber, warum das Gehirn im Laufe der Evolutionsgeschichte größer wird, beinhalten die Notwendigkeit, neue und unterschiedliche Landschaften zu durchqueren und so die Voraussetzungen für das Fliegen und andere Bewegungsstile zu schaffen, sagt Gabriel Bever, Ph.D., außerordentlicher Professor für funktionelle Anatomie und Evolution an der Johns Medizinische Fakultät der Hopkins-Universität.

„Bei Johns Hopkins verfügt die biomedizinische Gemeinschaft über ein breites Spektrum an Werkzeugen und Technologien, die uns helfen, die Evolutionsgeschichte zu verstehen und unsere Erkenntnisse mit der Grundlagenforschung zur Funktionsweise des Gehirns zu verknüpfen“, fügt er hinzu.