Les scientifiques identifient la croissance du cervelet du cerveau comme la clé de l’évolution du vol des oiseaux

Les biologistes évolutionnistes de Johns Hopkins Medicine rapportent qu’ils ont combiné des TEP de pigeons modernes avec des études de fossiles de dinosaures pour aider à répondre à une question persistante en biologie : comment le cerveau des oiseaux a-t-il évolué pour leur permettre de voler ?

La réponse, disent-ils, semble être une augmentation adaptative de la taille du cervelet chez certains vertébrés fossiles. Le cervelet est une région du cerveau responsable du mouvement et du contrôle moteur.

Les résultats de la recherche sont publié dans le numéro du 31 janvier du Actes de la Royal Society B.

Les scientifiques pensent depuis longtemps que le cervelet devrait jouer un rôle important dans le vol des oiseaux, mais ils manquaient de preuves directes. Pour identifier sa valeur, la nouvelle recherche a combiné des données d’imagerie TEP modernes de pigeons ordinaires avec des archives fossiles, examinant les régions cérébrales des oiseaux pendant le vol et les boîtes cérébrales d’anciens dinosaures.

« Le vol propulsé parmi les vertébrés est un événement rare dans l’histoire de l’évolution », déclare Amy Balanoff, Ph.D., professeur adjoint d’anatomie fonctionnelle et d’évolution à la faculté de médecine de l’université Johns Hopkins et premier auteur de la recherche publiée.

En fait, dit Balanoff, seuls trois groupes de vertébrés, ou animaux dotés d’une colonne vertébrale, ont évolué pour voler : les ptérosaures éteints (les terreurs du ciel pendant la période mésozoïque, qui s’est terminée il y a plus de 65 millions d’années), les chauves-souris et les oiseaux.

Les trois espèces ne sont pas étroitement liées sur l’arbre évolutif, et les facteurs clés ou facteurs qui ont permis le vol chez les trois restent flous.

Outre les adaptations physiques extérieures au vol, telles que des membres supérieurs longs, certains types de plumes, un corps profilé et d’autres caractéristiques, Balanoff et ses collègues ont conçu des recherches pour trouver des caractéristiques qui créaient un cerveau prêt à voler.

Pour ce faire, elle a travaillé avec des ingénieurs biomédicaux de l’Université Stony Brook de New York pour comparer l’activité cérébrale des pigeons modernes avant et après le vol.

Les chercheurs ont réalisé une tomographie par émission de positons, ou TEP, la même technologie couramment utilisée chez les humains, pour comparer l’activité dans 26 régions du cerveau lorsque l’oiseau était au repos et immédiatement après avoir volé pendant 10 minutes d’un perchoir à un autre. Ils ont scanné huit oiseaux à des jours différents.

Les TEP utilisent un composé similaire au glucose qui peut être suivi là où il est le plus absorbé par les cellules cérébrales, indiquant une utilisation accrue d’énergie et donc d’activité. Le tracker se dégrade et est excrété par le corps en un jour ou deux.

Sur les 26 régions, une zone – le cervelet – présentait une augmentation statistiquement significative des niveaux d’activité entre le repos et le vol chez les huit oiseaux. Dans l’ensemble, le niveau d’augmentation de l’activité dans le cervelet différait de plus de deux écarts statistiques types par rapport aux autres zones du cerveau.

Les chercheurs ont également détecté une activité cérébrale accrue dans les voies du flux optique, un réseau de cellules cérébrales qui relient la rétine de l’œil au cervelet. Ces voies traitent le mouvement à travers le champ visuel.

Balanoff dit que leurs découvertes d’une augmentation de l’activité dans le cervelet et les voies du flux optique n’étaient pas nécessairement surprenantes, puisque l’on suppose que ces zones jouent un rôle dans le vol. Ce qui était nouveau dans leurs recherches était de relier les découvertes sur le cervelet des cerveaux capables de voler chez les oiseaux modernes aux archives fossiles qui montraient comment les cerveaux de dinosaures ressemblant à des oiseaux commençaient à développer des conditions cérébrales pour le vol motorisé.

Pour ce faire, Balanoff a utilisé une base de données numérisée d’endocasts, ou moules de l’espace interne des crânes de dinosaures, qui, une fois remplis, ressemblent au cerveau. Elle a identifié et retracé une augmentation considérable du volume du cervelet chez certaines des premières espèces de dinosaures maniraptoriens, qui ont précédé les premières apparitions du vol motorisé chez d’anciens oiseaux apparentés, notamment l’Archaeopteryx, un dinosaure ailé.

Balanoff et son équipe ont également trouvé des preuves dans les endocastres d’une augmentation du repliement des tissus dans le cervelet des premiers maniraptorans, une indication d’une complexité cérébrale croissante.

Les chercheurs ont averti qu’il s’agissait de premières découvertes et que des modifications de l’activité cérébrale pendant le vol propulsé pourraient également se produire lors d’autres comportements, tels que le vol à voile. Ils notent également que leurs tests impliquaient un vol simple, sans obstacles et avec une trajectoire de vol facile, et que d’autres régions du cerveau pourraient être plus actives lors de manœuvres de vol complexes.

L’équipe de recherche prévoit ensuite d’identifier des zones précises du cervelet qui permettent à un cerveau prêt à voler ainsi que les connexions neuronales entre ces structures.

Les théories scientifiques expliquant pourquoi le cerveau grossit tout au long de l’histoire de l’évolution incluent la nécessité de traverser des paysages nouveaux et différents, ouvrant la voie au vol et à d’autres styles de locomotive, explique Gabriel Bever, Ph.D., professeur agrégé d’anatomie fonctionnelle et d’évolution à l’Université Johns. École de médecine de l’Université Hopkins.

« À Johns Hopkins, la communauté biomédicale dispose d’un large éventail d’outils et de technologies pour nous aider à comprendre l’histoire de l’évolution et à relier nos découvertes à la recherche fondamentale sur le fonctionnement du cerveau », ajoute-t-il.