Wat gebeurt er binnen de hersenen van spechten?

De donzige specht drumt in een reeks snelvuurstaccatos. Het is niet anders dan een zoemende boor die toevallig bevederd en op een tak ligt. De vederlichte vogel - de kleinste specht van Noord-Amerika, die minder dan zeven inch meet en minder dan één ounce rammen weegt op onverzettelijke oppervlakken steeds opnieuw, botsende met een kracht van meer dan 1.400 g. Wetenschappers zijn al lang gefascineerd door hoe het lijkt te voorkomen dat ze hoofdpijn of slopende hersenschade opsplitsen.

In het verleden hebben onderzoekers de waanzinnige knikken van spechten geannoteerd met stop-motion camera's en door botten te scannen. Verschillende soorten spechten hebben diepe arsenalen aan aanpassingen. Het brein van een specht - ongeveer zo groot als een ongeschilde walnoot - zit precies tegen zijn schedel, met weinig vocht om in rond te klotsen. Het ondiepe zwembad minimaliseert schokken. Dan is er de snavel: sommige soorten hebben een hogere snavel die iets langer is dan het onderste gedeelte, waardoor de helften op verschillende tijdstippen een doelwit kunnen treffen, waardoor de kracht van de impact wordt verspreid. De schedel van de vogel is ook een benige schokdemper, met lagen compact bot opgesloten tussen sponzigere zwaden.

Het resultaat van dit werk is, in wezen, dat spechten vrij goed voor zichzelf moeten zijn. De oudste spechtfossiel reikt tenslotte zo'n 25 miljoen jaar terug. Als al die beukjes een nummer aan het doen waren, zouden ze het gedrag nu zeker hebben ingeperkt, toch??

"Dat is de veronderstelling geweest," zegt Peter Cummings, een neuropatholoog aan de Boston School of Medicine. "Maar niemand heeft ooit naar de hersenen van een specht gekeken."

Toen George Farah, toen een van de afgestudeerde studenten van Cummings, een rondje jogde door deze bestaande literatuur, ontdekte hij dat het de neiging had het scenario te onderzoeken vanuit het gezichtspunt van de genetica, biomechanica of evolutie - niemand had de histologie-route afgelegd. Om erachter te komen wat er daar precies aan de hand was - en welke schade die beuk achter kon laten - moest hij onder de schedel en in het weefsel komen.

Het is niet verwonderlijk dat een bron van vogelhersenen moeilijk te vinden is. "Je kunt niet in de achtertuin gaan zitten, in je tuinstoel zitten en wachten met een BB-pistool," zegt Cummings. De onderzoekers vroegen overheidsspelambtenaren in Massachusetts om hen heads-up te geven als ze spechten tegenkwamen, maar dat was niet gegarandeerd - wie wist wanneer deze zouden verschijnen? Een ornitholoog stelde natuurhistorische musea voor, die Farah verraste - hij had gedacht dat die vol waren met taxidermiede lichamen of gelede skeletten, maar had niet nagedacht over natte exemplaren. "Wetenschap moet soms op MacGyver lijken: een beetje ducttape en kauwgom, en je hoopt op het beste," zegt Cummings.

Het Field Museum en het Harvard Museum of Natural History leenden ingelegde exemplaren. © The Field Museum

Farah begon kille musea, en de helft van degenen die hij hofmaker was, gaf hem het groene licht. Het Natuurhistorisch Museum van Harvard en The Field Museum in Chicago boden specimens aan uit hun collecties, allemaal gebeitst in alcohol. Farah voerde craniotomieën uit, sneed een cirkelvormige flap ("soort van een monniksnavel") en sneed vervolgens weg bij de benige plaat. Van deze hersenen - die Cummings beschrijft als het bezit van "de consistentie van niet-geheel-ingestelde jello" -Farah sneed monsters af die 15 en 25 micron breed waren, ruwweg een vijfde van de dikte van een vel papier. Cummings en Farah publiceerden hun bevindingen in een nieuwe studie, vandaag in het tijdschrift PLOS One.

Anatomisch gezien zijn er een hoop verschillen tussen spechthersenen en menselijke noggins: deze vogels hebben bijvoorbeeld geen cortex of de karakteristieke pieken en dalen (de gyri en sulci) die onze hersenen op gegroefde doolhoven doen lijken. Maar om te peilen of vogels potentiële hersenbeschadiging hadden door hun hoge intensiteit pikken, gebruikten de onderzoekers een reeks kleuringen en antilichamen om te testen op tau, een eiwit dat ook wordt geassocieerd met hersenziekten bij de mens..

De onderzoekers vergeleken de hersenen van de specht met plakjes van roodvleugelige merels, die geen pikken vertonen. (Als een controle om te bevestigen dat de kleurstoffen correct werkten, omvatte elke test ook een stukje menselijk brein gedoneerd door iemand die de ziekte van Alzheimer had, wat ook geassocieerd is met de aanwezigheid van tau.)

De rood-gevleugelde merel pikt niet. Terri Stewart / CC-by 2.0

Ten eerste gebruikten ze een zilveren vlek, die grote patronen van schade aan het licht brengt - Farah vergelijkt het met het wassen van kleding in een kleurstof. "Het idee was dat als we niets zien, we het zullen vergeten", zegt Cummings. "Als we iets zien, dan gaan we verder met de histochemische studie." Omdat ze wel accumulaties vonden in acht van de 10 spechthersenen - en geen bij de controlevogels - gingen ze verder met een tweede analyse, die gericht gebruikten antilichamen die specifiek zijn voor tau. De onderzoekers waren alleen in staat om deze tweede analyse uit te voeren op drie van de spechtmonsters, de andere werden tijdens het proces afgebroken. Twee van die drie spechtenbreinen vertoonden bewijs van tau, terwijl geen van de controleprikkelen het deed.

Dat wil niet zeggen dat tau zeker het product is van door pikken geïnduceerd trauma. Tau markeert niet noodzakelijkerwijs een pathologie: bij mensen hoopt het zich bijvoorbeeld op met de leeftijd, en de hersenen van sommige mensen hebben er gewoon meer van. Maar het is een indicatie dat iets misschien niet goed is. Cummings denkt niet dat de schade in de hersenen van spechten een product van ouderdom is - een van de monsters was van een juveniele vogel en het vertoonde ook tekenen van trauma. Maar er zijn verschillende soorten (of isovormen) van tau, en sommige daarvan zijn zelfs neuroprotectief, zegt Cummings. "Misschien kan deze tau die we in de spechten zien, een andere beschermende aanpassing zijn om de pikkingskrachten te weerstaan." Cummings denkt dat toekomstig werk gedetailleerder kan worden.

Een nadeel, dat de onderzoekers gemakkelijk erkennen, is dat het experiment klein was - slechts 10 spechten. Het ontwerp zou sterker zijn geweest, zegt Farah, als ze levende spechten gescheiden hadden in experimentele en controlegroepen, zodat één cohort kon pikken en voorkomen dat de ander dat deed. Farah hoopt dat het de basis legt voor meer onderzoek. Ann McKee, een neuropatholoog aan de Boston School of Medicine, die traumatisch hersenletsel bij mensen bestudeert en niet betrokken was bij dit onderzoek, vertelde de Washington Post dat dit werk "een belangrijke en provocerende bevinding is".

Ondertussen blijven spechtbreinen, en hun vermeende beschermingen, de ontwerpen van helmen, kragen en andere plastic harnassen voor menselijke atleten inspireren - zelfs zoveel vragen blijven hangen over wat er gebeurt in die kleine vogelversies..