Los cerebros de las aves modernas revelan la historia evolutiva del vuelo, que se remonta a los dinosaurios

Los biólogos evolutivos informan que han combinado exploraciones PET de palomas modernas con estudios de fósiles de dinosaurios para ayudar a responder una pregunta persistente en biología: ¿Cómo evolucionó el cerebro de las aves para permitirles volar?

Un pájaro – fotografía ilustrativa. Credito de imagen: Pixabay (Licencia gratuita de Pixabay)

La respuesta parece ser un aumento adaptativo del tamaño del cerebelo en algunos vertebrados fósiles. El cerebelo es una región en la parte posterior del cerebro del ave que es responsable del movimiento y el control motor.

Los resultados de la investigación se publican en la revista. Actas de la Royal Society B.

«Descubrimos que cuando las aves pasan del reposo al vuelo, los circuitos del cerebelo se activan más que en cualquier otra parte del cerebro», dijo el coautor del estudio. Pablo Gignacprofesor asociado de la Universidad de Arizona Facultad de Medicina – Tucson, estudiando neuroanatomía y evolución. También es investigador asociado del Museo Americano de Historia Natural.

«Luego observamos el cráneo correspondiente a esta región en fósiles de dinosaurios y aves para rastrear cuándo se agrandó el cerebelo», dijo Gignac. «El primer pulso de ampliación se produjo antes de que los dinosaurios alzaran el vuelo, lo que demuestra que el vuelo de las aves utiliza relevos neuronales antiguos y bien conservados, pero con niveles de actividad singularmente elevados».

Los científicos han pensado durante mucho tiempo que el cerebelo debería ser importante en el vuelo de las aves, pero carecían de pruebas directas. Para determinar su valor, la nueva investigación combinó datos de imágenes de escaneo PET modernos de palomas comunes con el registro fósil, examinando regiones del cerebro de aves durante el vuelo y cráneos de dinosaurios antiguos. Las exploraciones PET muestran cómo funcionan los órganos y tejidos.

«El vuelo propulsado entre vertebrados es un evento poco común en la historia evolutiva», dijo la autora principal Amy Balanoff, de la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins.

De hecho, sólo tres grupos de vertebrados, o animales con columna vertebral, evolucionaron para volar: los pterosaurios extintos (los terrores del cielo durante el período Mesozoico, que terminó hace más de 65 millones de años), los murciélagos y las aves, dijo Balanoff. Los tres grupos voladores no están estrechamente relacionados en el árbol evolutivo, y los factores clave que permitieron el vuelo en los tres siguen sin estar claros.

Además de las adaptaciones físicas externas para el vuelo, como extremidades superiores largas, ciertos tipos de plumas, un cuerpo aerodinámico y otras características, el equipo diseñó una investigación para encontrar características que crearan un cerebro listo para volar.

Para ello, el equipo incluyó a ingenieros biomédicos de la Universidad Stony Brook de Nueva York para comparar la actividad cerebral de las palomas modernas antes y después del vuelo.

Los investigadores realizaron exploraciones PET para comparar la actividad en 26 regiones del cerebro cuando el ave estaba en reposo e inmediatamente después voló durante 10 minutos de una percha a otra. Escanearon ocho aves en días diferentes. Las exploraciones PET utilizan un compuesto similar a la glucosa que se puede rastrear hasta donde las células cerebrales lo absorben más, lo que indica un mayor uso de energía y, por lo tanto, de actividad. El rastreador se degrada y se excreta del cuerpo en uno o dos días.

De las 26 regiones, un área (el cerebelo) tuvo aumentos estadísticamente significativos en los niveles de actividad entre el reposo y el vuelo en las ocho aves. En general, el nivel de aumento de actividad en el cerebelo difirió significativamente en comparación con otras áreas del cerebro.

Los investigadores también detectaron un aumento de la actividad cerebral en las llamadas vías de flujo óptico, una red de células cerebrales que conecta la retina del ojo con el cerebelo. Estas vías procesan el movimiento a través del campo visual.

Balanoff dijo que los hallazgos del equipo sobre el aumento de la actividad en el cerebelo y las vías del flujo óptico no fueron necesariamente sorprendentes, ya que se ha planteado la hipótesis de que estas áreas desempeñan un papel en el vuelo.

Lo nuevo en su investigación fue vincular los hallazgos en el cerebelo de cerebros habilitados para volar en aves modernas con el registro fósil que mostraba cómo los cerebros de dinosaurios parecidos a aves comenzaron a desarrollar condiciones cerebrales para vuelos propulsados.

Para ello, el equipo utilizó una base de datos digitalizada de endocasts, o moldes del espacio interno de cráneos de dinosaurios, que, cuando se llenan, se parecen al cerebro.

Luego identificaron y rastrearon un aumento considerable en el volumen del cerebelo hasta algunas de las primeras especies de dinosaurios maniraptoranos, que precedieron a las primeras apariciones de vuelos propulsados ​​entre antiguos parientes de las aves, incluyendo Arqueoptérixun dinosaurio alado.

Los investigadores dirigidos por Balanoff también encontraron evidencia en los endocasts de un aumento en el plegamiento del tejido en el cerebelo de los primeros maniraptoranos, una indicación de una creciente complejidad cerebral.

Los investigadores advirtieron que estos son hallazgos iniciales y que los cambios en la actividad cerebral durante el vuelo motorizado también podrían ocurrir durante otros comportamientos, como planear. También señalan que sus pruebas implicaron vuelos sencillos, sin obstáculos y con una trayectoria de vuelo fácil, y que otras regiones del cerebro pueden estar más activas durante maniobras de vuelo complejas.

El equipo de investigación planea identificar áreas precisas en el cerebelo que permitan un cerebro listo para volar y las conexiones neuronales entre estas estructuras.

Las teorías científicas sobre por qué el cerebro crece a lo largo de la historia evolutiva incluyen la necesidad de atravesar paisajes nuevos y diferentes, preparando el escenario para el vuelo y otros estilos locomotores, dijo el coautor Gabriel Bever de la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins.

Otros autores del estudio incluyen a Elizabeth Ferrer del Museo Americano de Historia Natural y la Universidad Samuel Merritt; Lemise Saleh y Paul Vaska de la Universidad Stony Brook; M. Eugenia Gold del Museo Americano de Historia Natural y de la Universidad de Suffolk; Jesúsmarugenn-Lobón de la Universidad Autónoma de Madrid; Mark Norell del Museo Americano de Historia Natural; David Ouellette de la Facultad de Medicina Weill Cornell; Michael Salerno de la Universidad de Pensilvania; Akinobu Watanabe del Museo Americano de Historia Natural, la Facultad de Medicina Osteopática del Instituto de Tecnología de Nueva York y el Museo de Historia Natural de Londres; y Shouyi Wei del Centro Proton de Nueva York.

Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias.

Fuente: Universidad de Arizona