Nouvelles recherches sur l’ancienne question : Comment les oiseaux ont-ils évolué pour voler?






Des reconstructions numériques d’endocasts d’un pic et d’un dinosaure troodontid

Reconstructions numériques d'endocasts d'un pic et d'un dinosaure troodontid

Reconstructions numériques d’endocasts d’un pic, Melanerpes aurifrons (en haut), et d’un dinosaure troodontid, Zanabazar junior (en bas). La zone bleue est le cervelet. Crédit : Amy Balanoff

Des biologistes évolutionnistes de l’école de médecine Johns Hopkins ont combiné des scans PET (tomographie par émission de positrons) de pigeons modernes avec des études de fossiles de dinosaures pour répondre à une question fondamentale en biologie : comment les cerveaux des oiseaux ont-ils évolué pour leur permettre de voler ?

La réponse, selon eux, 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 cette recherche ont été récemment publiés dans le journal Proceedings of the Royal Society B.

L’Importance du Cervelet dans le Vol

Les scientifiques ont longtemps pensé que le cervelet était important pour le vol des oiseaux, mais ils manquaient de preuves directes. Pour déterminer sa valeur, la nouvelle recherche combine des données d’imagerie modernes par scan PET de pigeons ordinaires avec le registre fossile, examinant les régions cérébrales des oiseaux en plein vol et les boîtes crâniennes des dinosaures anciens.

«Le vol motorisé chez 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 l’école de médecine de l’université Johns Hopkins et premier auteur de la recherche publiée.

En fait, explique Balanoff, seuls trois groupes de vertébrés, ou animaux à 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 dans l’arbre de l’évolution, et les facteurs clés qui ont permis le vol chez les trois sont restés obscurs.

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 une recherche pour trouver des caractéristiques qui ont créé un cerveau prêt pour le vol.

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

Méthodologie et Résultats

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

Les scans PET utilisent un composé similaire au glucose qui peut être suivi jusqu’à l’endroit où il est le plus absorbé par les cellules cérébrales, indiquant une utilisation accrue d’énergie et donc une activité. Le traceur se dégrade et est excrété du corps en un jour ou deux.

Sur les 26 régions, une zone – le cervelet – a présenté des augmentations significatives de l’activité entre le repos et le vol chez les huit oiseaux. Globalement, le niveau d’augmentation d’activité dans le cervelet différait de plus de deux écarts statistiques standards, par rapport aux autres zones du cerveau.

Les chercheurs ont également détecté une augmentation de l’activité cérébrale dans les soi-disant voies de 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 indique que leurs résultats sur l’augmentation de l’activité dans le cervelet et les voies de flux optique n’étaient pas nécessairement surprenants, car il était déjà supposé que ces zones jouaient un rôle dans le vol.

Ce qui était nouveau dans leur recherche était le lien entre les découvertes sur le cervelet des cerveaux adaptés au vol chez les oiseaux modernes et le registre fossile montrant comment les cerveaux des dinosaures semblables aux oiseaux ont commencé 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.

Balanoff a identifié et retracé une augmentation substantielle du volume du cervelet chez certaines des premières espèces de dinosaures maniraptoriens, qui ont précédé les premières apparitions de vol motorisé chez les ancêtres d’oiseaux anciens, y compris l’Archaeopteryx, un dinosaure ailé.

Relier les Oiseaux Modernes aux Ancêtres Dinosaures

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

Les chercheurs ont averti que ces découvertes sont préliminaires et que les changements d’activité cérébrale pendant le vol motorisé pourraient également survenir lors d’autres comportements, tels que le vol plané. Ils notent également que leurs tests portaient sur un vol simple, sans obstacles et avec un chemin de vol facile, et que d’autres régions cérébrales pourraient être plus actives lors de manœuvres de vol complexes.

L’équipe de recherche prévoit de localiser précisément les zones du cervelet qui permettent un cerveau prêt pour le vol et les connexions neurales entre ces structures.

Les théories scientifiques sur les raisons pour lesquelles le cerveau grossit au cours de l’histoire évolutive incluent la nécessité de traverser des paysages nouveaux et différents, préparant le terrain pour le vol et d’autres styles locomoteurs, explique Gabriel Bever, Ph.D., professeur associé d’anatomie fonctionnelle et d’évolution à l’école de médecine de l’université Johns Hopkins.

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

Référence : “Quantitative functional imaging of the pigeon brain: implications for the evolution of avian powered flight” par 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 et Paul Vaska, 31 janvier 2024, Proceedings of the Royal Society B.
DOI: 10.1098/rspb.2023.2172

En plus de Balanoff et Bever, les autres auteurs de l’étude sont Elizabeth Ferrer du Musée américain d’histoire naturelle et de l’université Samuel Merritt; Lemise Saleh et Paul Vaska de l’université Stony Brook; Paul Gignac du Musée américain d’histoire naturelle et de l’université de l’Arizona, M. Eugenia Gold du Musée américain d’histoire naturelle et de l’université de Suffolk; Jesús Marugán-Lobón de l’Université autonome de Madrid; Mark Norell du Musée américain d’histoire naturelle; David Ouellette du Weill Cornell Medical College; Michael Salerno de l’université de Pennsylvanie; Akinobu Watanabe du Musée américain d’histoire naturelle, du New York Institute of Technology College of Osteopathic Medicine et du Natural History Museum de Londres; et Shouyi Wei du New York Proton Center.

Le financement de la recherche a été fourni par la National Science Foundation.