Rekonstruksi digital endocast burung pelatuk, Melanerpes aurifrons (atas), dan dinosaurus troodontid, Zanabazar junior (bawah). Area biru adalah otak kecil. Kredit: Amy Balanoff
Ahli biologi evolusi di Johns Hopkins Medicine melaporkan bahwa mereka telah menggabungkan pemindaian PET merpati modern dengan penelitian fosil dinosaurus untuk membantu menjawab pertanyaan abadi dalam biologi: Bagaimana otak burung berevolusi sehingga mereka bisa terbang?
Jawabannya, kata mereka, tampaknya adalah peningkatan adaptif dalam ukuran otak kecil pada beberapa fosil vertebrata. Otak kecil adalah wilayah otak yang bertanggung jawab untuk pergerakan dan kontrol motorik.
Temuan penelitian ini baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Prosiding Royal Society B.
Pentingnya Otak Kecil dalam Penerbangan
Para ilmuwan telah lama berpikir bahwa otak kecil memainkan peran penting dalam penerbangan burung, namun mereka tidak memiliki bukti langsung. Untuk menentukan nilainya, penelitian baru ini menggabungkan data pencitraan PET modern dari merpati biasa dengan catatan fosil, memeriksa bagian otak burung selama penerbangan dan cangkang otak dinosaurus purba.
“Penerbangan bertenaga listrik di antara vertebrata adalah peristiwa langka dalam sejarah evolusi,” kata Amy Balanoff, Ph.D., asisten profesor anatomi fungsional dan evolusi di Fakultas Kedokteran Universitas Johns Hopkins dan penulis pertama studi yang dipublikasikan tersebut.
Faktanya, kata Balanoff, hanya tiga kelompok vertebrata, atau hewan bertulang belakang, yang berevolusi dalam terbang: pterosaurus yang telah punah, teror di langit pada masa itu. Mesozoikum periode, yang berakhir lebih dari 65 juta tahun yang lalu, kelelawar, dan burung.
Tiga jenis tidak terkait erat dengan pohon evolusi, dan faktor atau faktor kunci yang memungkinkan ketiganya terbang masih belum jelas.
Selain adaptasi fisik eksternal untuk terbang, seperti anggota tubuh bagian atas yang panjang, jenis bulu tertentu, tubuh ramping, dan ciri-ciri lainnya, Balanoff dan rekan-rekannya merancang penelitian untuk menemukan ciri-ciri yang membuat otak siap terbang.
Untuk melakukan hal ini, ia bekerja sama dengan insinyur biomedis di Stony Brook University di New York untuk membandingkan aktivitas otak merpati modern sebelum dan sesudah terbang.
Metodologi dan Temuan
Para peneliti melakukan pemindaian pencitraan tomografi emisi positron, atau PET, teknologi yang sama yang biasa digunakan pada manusia, untuk membandingkan aktivitas di 26 wilayah otak saat burung beristirahat dan segera setelah terbang selama 10 menit dari satu tempat bertengger ke tempat lainnya. Mereka memindai delapan burung pada hari yang berbeda.
Pemindaian PET menggunakan senyawa yang mirip dengan glukosa yang dapat dilacak ke tempat yang paling banyak diserap oleh sel-sel otak, yang menunjukkan peningkatan penggunaan energi dan aktivitas. Pelacaknya rusak dan dikeluarkan dari tubuh dalam satu atau dua hari.
Dari 26 wilayah, satu wilayah – otak kecil – mengalami peningkatan tingkat aktivitas yang signifikan secara statistik antara istirahat dan terbang pada kedelapan burung. Secara keseluruhan, tingkat peningkatan aktivitas di otak kecil berbeda lebih dari dua standar deviasi statistik, dibandingkan dengan area lain di otak.
Para peneliti juga mendeteksi peningkatan aktivitas otak di jalur aliran optik, jaringan sel otak yang menghubungkan retina mata ke otak kecil. Jalur ini memproses pergerakan melintasi bidang visual.
Balanoff mengatakan temuan mereka mengenai peningkatan aktivitas di otak kecil dan jalur aliran optik tidak terlalu mengejutkan, karena area tersebut dihipotesiskan berperan dalam penerbangan.
Hal baru dalam penelitian mereka adalah menghubungkan penemuan otak kecil dari otak burung modern yang mampu terbang dengan catatan fosil yang menunjukkan bagaimana otak dinosaurus mirip burung mulai mengembangkan kondisi otak untuk terbang bertenaga.
Untuk melakukan hal ini, Balanoff menggunakan database digital endocast, atau cetakan ruang internal tengkorak dinosaurus, yang bila diisi akan menyerupai otak.
Balanoff mengidentifikasi dan menelusuri peningkatan substansial volume otak kecil pada beberapa spesies dinosaurus maniraptoran paling awal, yang mendahului kemunculan pertama penerbangan bertenaga di antara kerabat burung purba, termasuk Archaeopteryx, dinosaurus bersayap.
Menghubungkan Burung Modern dengan Nenek Moyang Dinosaurusnya
Balanoff dan timnya juga menemukan bukti dalam endocast peningkatan lipatan jaringan di otak kecil maniraptoran awal, sebuah indikasi peningkatan kompleksitas otak.
Para peneliti mengingatkan bahwa ini adalah temuan awal, dan perubahan aktivitas otak selama penerbangan bertenaga juga dapat terjadi selama perilaku lain, seperti meluncur. Mereka juga mencatat bahwa pengujian mereka melibatkan penerbangan langsung, tanpa hambatan dan dengan jalur penerbangan yang mudah, dan wilayah otak lainnya mungkin lebih aktif selama manuver penerbangan yang rumit.
Tim peneliti selanjutnya berencana untuk menentukan area yang tepat di otak kecil yang memungkinkan otak siap terbang dan hubungan saraf antara struktur tersebut.
Teori ilmiah tentang mengapa otak menjadi lebih besar sepanjang sejarah evolusi mencakup kebutuhan untuk melintasi lanskap baru dan berbeda, mempersiapkan landasan untuk penerbangan dan kekuatan lokomotif lainnya, kata Gabriel Bever, Ph.D., profesor anatomi fungsional dan evolusi di Johns University School Kedokteran Hopkins.
“Di Johns Hopkins, komunitas biomedis memiliki beragam alat dan teknologi untuk membantu kami memahami sejarah evolusi dan menghubungkan temuan kami dengan penelitian mendasar tentang cara kerja otak,” tambahnya.
Referensi: “Pencitraan fungsional kuantitatif otak merpati: implikasi terhadap evolusi penerbangan bertenaga pada burung” oleh 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 dan Paul Vaska, 31 Januari 2024, Prosiding Royal Society B.
DOI: 10.1098/rspb.2023.2172
Selain Balanoff dan Bever, penulis penelitian lainnya adalah Elizabeth Ferrer dari American Museum of Natural History dan Samuel Merritt University; Lemise Saleh dan Paul Vaska dari Universitas Stony Brook; Paul Gignac dari Museum Sejarah Alam Amerika dan Universitas Arizona, M. Eugenia Gold dari Museum Sejarah Alam Amerika dan Universitas Suffolk; Jesús Marugán-Lobón dari Universitas Otonomi Madrid; Mark Norell dari Museum Sejarah Alam Amerika; David Ouellette dari Universitas Kedokteran Weill Cornell; Michael Salerno dari Universitas Pennsylvania; Akinobu Watanabe dari Museum Sejarah Alam Amerika, Sekolah Tinggi Kedokteran Osteopati Institut Teknologi New York, dan Museum Sejarah Alam London; dan Shouyi Wei dari Pusat Proton New York.
Pendanaan untuk penelitian ini disediakan oleh National Science Foundation.
NewsRoom.id
