Reconstruções digitais de endocasts de um pica-pau, Melanerpes aurifrons (acima), e de um dinossauro troodontídeo, Zanabazar junior (abaixo). A área azul é o cerebelo. Crédito: Amy Balanoff
Biólogos evolucionistas da Johns Hopkins Medicine relatam que combinaram tomografias PET de pombos modernos com estudos de fósseis de dinossauros para ajudar a responder a uma questão persistente na biologia: como é que os cérebros das aves evoluíram para lhes permitir voar?
A resposta, dizem eles, parece ser um aumento adaptativo no tamanho do cerebelo em alguns fósseis. vertebrados. O cerebelo é uma região do cérebro responsável pelo movimento e controle motor.
Os resultados da pesquisa foram publicados recentemente na revista Anais da Royal Society B.
A importância do cerebelo no vôo
Os cientistas há muito pensavam que o cerebelo deveria ser importante no voo dos pássaros, mas faltavam evidências diretas. Para identificar o seu valor, a nova investigação combinou dados modernos de imagens PET de pombos comuns com o registo fóssil, examinando regiões cerebrais de aves durante o voo e caixas cranianas de dinossauros antigos.
“O voo motorizado entre vertebrados é um evento raro na história evolutiva”, diz Amy Balanoff, Ph.D., professora assistente de anatomia funcional e evolução na Escola de Medicina da Universidade Johns Hopkins e primeira autora da pesquisa publicada.
Na verdade, diz Balanoff, apenas três grupos de vertebrados, ou animais com coluna vertebral, evoluíram para voar: os pterossauros extintos, os terrores do céu durante o Mesozóico período, que terminou há mais de 65 milhões de anos, morcegos e pássaros.
Os três espécies não estão intimamente relacionados com a árvore evolutiva, e os principais fatores ou fatores que permitiram o voo em todos os três permaneceram obscuros.
Além das adaptações físicas externas para o voo, como membros superiores longos, certos tipos de penas, um corpo aerodinâmico e outras características, Balanoff e os seus colegas desenvolveram pesquisas para encontrar características que criassem um cérebro pronto para voar.
Para fazer isso, ela trabalhou com engenheiros biomédicos da Universidade Stony Brook, em Nova York, para comparar a atividade cerebral dos pombos modernos antes e depois do voo.
Metodologia e Resultados
Os pesquisadores realizaram tomografia por emissão de pósitrons, ou PET, exames de imagem, a mesma tecnologia comumente usada em humanos, para comparar a atividade em 26 regiões do cérebro quando a ave estava em repouso e imediatamente após voar por 10 minutos de um poleiro para outro. Eles examinaram oito aves em dias diferentes.
Os exames PET usam um composto semelhante à glicose que pode ser rastreado até onde é mais absorvido pelas células cerebrais, indicando aumento do uso de energia e, portanto, de atividade. O rastreador se degrada e é excretado do corpo em um ou dois dias.
Das 26 regiões, uma área – o cerebelo – teve aumentos estatisticamente significativos nos níveis de atividade entre o repouso e o voo em todas as oito aves. No geral, o nível de aumento de atividade no cerebelo diferiu em mais de dois desvios estatísticos padrão, em comparação com outras áreas do cérebro.
Os pesquisadores também detectaram aumento da atividade cerebral nas chamadas vias de fluxo óptico, uma rede de células cerebrais que conectam a retina do olho ao cerebelo. Essas vias processam o movimento através do campo visual.
Balanoff diz que as suas descobertas sobre o aumento da atividade no cerebelo e nas vias de fluxo óptico não foram necessariamente surpreendentes, uma vez que se supõe que as áreas desempenham um papel no voo.
O que havia de novo na sua investigação foi ligar as descobertas no cerebelo de cérebros habilitados para voar em aves modernas ao registo fóssil que mostrava como os cérebros de dinossauros semelhantes a aves começaram a desenvolver condições cerebrais para o voo motorizado.
Para isso, Balanoff utilizou um banco de dados digitalizado de endocasts, ou moldes do espaço interno de crânios de dinossauros, que quando preenchidos, lembram o cérebro.
Balanoff identificou e traçou um aumento considerável no volume do cerebelo em algumas das primeiras espécies de dinossauros maniraptoranos, que precederam as primeiras aparições de voo motorizado entre antigos parentes de aves, incluindo o Archaeopteryx, um dinossauro alado.
Ligando pássaros modernos a ancestrais de dinossauros
Balanoff e sua equipe também encontraram evidências nos endocasts de um aumento no dobramento dos tecidos no cerebelo dos primeiros maniraptoranos, uma indicação do aumento da complexidade cerebral.
Os investigadores alertaram que estas são descobertas iniciais e que alterações na atividade cerebral durante o voo motorizado também podem ocorrer durante outros comportamentos, como planar. Eles também observam que seus testes envolveram vôo direto, sem obstáculos e com trajetória de vôo fácil, e outras regiões do cérebro podem estar mais ativas durante manobras de vôo complexas.
A equipe de pesquisa planeja em seguida identificar áreas precisas no cerebelo que permitam um cérebro pronto para voar e as conexões neurais entre essas estruturas.
As teorias científicas que explicam por que o cérebro fica maior ao longo da história evolutiva incluem a necessidade de atravessar paisagens novas e diferentes, preparando o terreno para o voo e outros estilos de locomotiva, diz Gabriel Bever, Ph.D., professor associado de anatomia funcional e evolução no Johns Escola de Medicina da Universidade Hopkins.
“Na Johns Hopkins, a comunidade biomédica possui um amplo conjunto de ferramentas e tecnologia para nos ajudar a compreender a história evolutiva e vincular nossas descobertas a pesquisas fundamentais sobre como o cérebro funciona”, acrescenta.
Referência: “Imagem funcional quantitativa do cérebro do pombo: implicações para a evolução do voo motorizado aviário” por Amy Balanoff, Elizabeth Ferrer, Lemise Saleh, Paul M. Gignac, M. Eugenia L. Gold, Jesús Marugán-Lobón, Mark Norell, David Ouellette, Michael Salerno, Akinobu Watanabe, Shouyi Wei, Gabriel Bever e Paul Vaska, 31 de janeiro de 2024, Anais da Royal Society B.
DOI: 10.1098/rspb.2023.2172
Além de Balanoff e Bever, outros autores do estudo são Elizabeth Ferrer, do Museu Americano de História Natural e da Universidade Samuel Merritt; Lemise Saleh e Paul Vaska, da Universidade Stony Brook; Paul Gignac do Museu Americano de História Natural e da Universidade do Arizona, M. Eugenia Gold do Museu Americano de História Natural e da Universidade de Suffolk; Jesús Marugán-Lobón da Universidade Autônoma de Madrid; Mark Norell, do Museu Americano de História Natural; David Ouellette, do Weill Cornell Medical College; Michael Salerno, da Universidade da Pensilvânia; Akinobu Watanabe, do Museu Americano de História Natural, do Instituto de Tecnologia de Nova York, da Faculdade de Medicina Osteopática e do Museu de História Natural de Londres; e Shouyi Wei, do Proton Center de Nova York.
O financiamento para a pesquisa foi fornecido pela National Science Foundation.
