Les cerveaux des oiseaux modernes révèlent l’histoire évolutive du vol, remontant aux dinosaures

Les biologistes évolutionnistes rapportent qu’ils ont combiné les 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 semble être une augmentation adaptative de la taille du cervelet chez certains vertébrés fossiles. Le cervelet est une région située à l’arrière du cerveau de l’oiseau qui est responsable du mouvement et du contrôle moteur.

Les résultats de la recherche sont publiés dans la revue Actes de la Royal Society B.

“Nous avons constaté que lorsque les oiseaux passent du repos au vol, les circuits du cervelet sont activés plus que dans toute autre partie du cerveau”, a déclaré Paul Gignac, co-auteur de l’étude et professeur agrégé à la faculté de médecine de l’Université de l’Arizona à Tucson. , étudiant la neuroanatomie et l’évolution. Il est également chercheur associé au Musée américain d’histoire naturelle.

“Nous avons ensuite examiné le crâne correspondant à cette région dans les fossiles de dinosaures et d’oiseaux pour déterminer le moment où le cervelet s’est agrandi”, a déclaré Gignac. “La première impulsion d’agrandissement s’est produite avant que les dinosaures ne prennent leur envol, ce qui montre que le vol aviaire utilise des relais neuronaux anciens et bien conservés, mais avec des niveaux d’activité particulièrement élevés.”

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. Les TEP montrent comment fonctionnent les organes et les tissus.

“Le vol propulsé parmi les vertébrés est un événement rare dans l’histoire de l’évolution”, a déclaré l’auteur principal Amy Balanoff, de la faculté de médecine de l’université Johns Hopkins.

En fait, seuls trois groupes de vertébrés, ou animaux dotés d’une colonne vertébrale, ont évolué pour voler : les ptérosaures disparus – les terreurs du ciel pendant la période mésozoïque, qui a pris fin il y a plus de 65 millions d’années – les chauves-souris et les oiseaux, a déclaré Balanoff. Les trois groupes volants ne sont pas étroitement liés sur l’arbre évolutif, et les facteurs clés qui ont permis le vol dans les trois groupes 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, l’équipe a conçu des recherches pour trouver des caractéristiques qui créaient un cerveau prêt à voler.

Pour ce faire, l’équipe a fait appel à 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 effectué des TEP 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 manière significative par rapport aux autres zones du cerveau.

Les chercheurs ont également détecté une activité cérébrale accrue dans ce que l’on appelle 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 a déclaré que les découvertes de l’équipe concernant l’augmentation de l’activité dans le cervelet et les voies du flux optique n’étaient pas nécessairement surprenantes, puisque l’on a émis l’hypothèse que ces zones jouaient 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, l’équipe 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.

Ils ont ensuite identifié et retracé une augmentation considérable du volume du cervelet chez certaines des premières espèces de dinosaures maniraptorans, qui ont précédé les premières apparitions du vol motorisé chez d’anciens oiseaux apparentés, notamment l’Archaeopteryx, un dinosaure ailé.

Les chercheurs dirigés par Balanoff ont également trouvé des preuves dans les endocasts 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 au cours 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, a déclaré le co-auteur Gabriel Bever de la faculté de médecine de l’Université Johns Hopkins.

Parmi les autres auteurs de l’étude figurent Elizabeth Ferrer du Musée américain d’histoire naturelle et de l’Université Samuel Merritt ; Lemise Saleh et Paul Vaska de l’Université Stony Brook ; M. Eugenia Gold du Musée américain d’histoire naturelle et de l’Université de Suffolk ; Jésuss Marugunn-Lobón de l’Université Autonome de Madrid; Mark Norell du Musée américain d’histoire naturelle ; David Ouellette du Collège médical Weill Cornell; Michael Salerno de l’Université de Pennsylvanie ; Akinobu Watanabe du Musée américain d’histoire naturelle, de l’Institut de technologie de New York, du Collège de médecine ostéopathique et du Musée d’histoire naturelle de Londres ; et Shouyi Wei du New York Proton Center.

Cette recherche a été financée par la National Science Foundation.

Source : Université de l’Arizona