脳の構造
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1948年にソ連とモンゴルの研究者が発見したタルボサウルスの頭骨（PIN 553-1、元々は Gorgosaurus lancinator）には頭蓋内腔が保存されていた。この空洞の内側にエンドキャスト（英語版）と呼ばれる石膏の型を取り、マレーエフはタルボサウルスの脳の形状の予備的な観察に成功した。さらに新しいポリウレタンのゴム型により、タルボサウルスの脳構造と機能の詳細な研究が可能となった。 タルボサウルスの頭蓋内構造はティラノサウルスのものに似ており、相違点は三叉神経や副神経といったいくつかの脳神経根の位置だけであった。ティラノサウルス科の脳は鳥類よりもワニなど非鳥類型爬虫類のものに似ていた。全長12メートルのタルボサウルスの脳の合計容積はわずか184立方センチメートルと推定されている。 嗅球と末端神経および嗅覚神経は大きく、ティラノサウルスと同様にタルボサウルスの嗅覚が鋭敏であったことが示唆されている。鋤鼻球は大きく、嗅球とは区別される。嗅球は当初、フェロモンを感知するのに使用された発達した鋤鼻器を示唆するものとして提唱された。これはタルボサウルスが複雑な交尾行動を取っていたことを暗示する可能性があったしかし、鋤鼻球は現生のどの主竜類にも存在しないため、他の研究者が断定に異議を唱えた。 聴覚神経もまた大きく、優れた聴覚を示唆しており、これは聴覚コミュニケーションと空間認識に役立った可能性がある。この神経は前庭部位も発達しており、優れたバランス感覚と調整能力が暗示されている。対称的に、視力に関する神経と脳の構造は小型で発達していなかった。爬虫類の視覚処理に関与する中脳は、 視神経と眼球運動を制御する動眼神経と同様に、タルボサウルスでは非常に小さかった。目が前方に面してある程度の立体視も可能であったティラノサウルスと違い、他のティラノサウルス科に典型的な狭い頭骨を持つタルボサウルスの目は主に横側に面していた。このことから、タルボサウルスは視力ではなく嗅覚と聴覚に頼っていたことが示唆されている。ただし、現行のタルボサウルスの標本の“成体”とされる標本の多くが、実際には全長9メートル前後の亜成体と目されており、これを全長12メートルのティラノサウルス(正真正銘の“成体”)と比較するのはいささか無理がある(詳しくはティラノサウルスの項を参照)。
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脳の構造
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fMRIでの調査は、人が嫌悪感を覚えたとき、不快な味を感じたとき、嫌悪の表情を見せられたときに前島皮質（島皮質の前部）が活発に反応することを明らかにした。
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