A Study of Human Craniofacial Variation by Using Geometric Morphometrics

RNDr. Petra Urbanová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato dizertační práce je výsledkem studia biologické variability kraniofaciální oblasti u dospělých jedinců současné evropské populace. Na referenčním souboru lebek (N=355) pocházejícího ze tří dokumentovaných kosterních sbírek (jedna česká a dvě portugalské), byly studovány faktory, u kterých se předpokládá, že jsou zdrojem rozdílů ve tvaru a velikosti (populační afinita, sexuální dimorfismus, stranové rozdíly a stárnutí). Prostorové vztahy analyzovaných struktur byly zaznamenány pomocí ramenového digitizéru MicroScribe, digitálního fotoaparátu a grafického tabletu a poté studovány metodami tradiční a geometrické morfometrie. Zvláštní důraz byl kladen na variabilitu ve tvaru okraje očnice a jeho postavení v kontextu ostatních částí lebky. Morfologie lebky byla popsána 4 konfiguracemi význačných bodů a studována pomocí prokrústovské analýzy a metod vícerozměrné statistiky. Tvar okraje očnice byl vyjádřen metodami analýzy obrysů, především eliptickou Fourierovou analýzou ve 2D i 3D modifikaci. Z výsledků vyplývá, že velikost lebky dospělých jedinců je znak, jehož hodnoty jsou napříč zkoumanými soubory homogenní. Zároveň je nejvýznamnějším populačně nezávislým znakem pro odlišení mužských a ženských lebek. Naopak pro každý ze studovaných souborů byl typický jiný tvar lebky. Mezipopulační rozdíly se promítají také do odlišných vzorců sexuálního dimorfismu ve tvaru mužských a ženských lebek. České lebky jsou kratší a širší s širokých a plochým obličejem. Okraj očnice je plochý a směřuje více frontálně. Lebky z portugalských sbírek jsou obecně delší, užší, s protáhlým a úzkým vystupujícím obličejem. Vyšší orbity se v laterální polovině charakteristicky ohýbají, což vede k optickému zúžení tvaru. Tyto rozdíly byly interpretovány mimo jiné jako důsledek adaptace na odlišné klimatické podmínky obou geografických oblastí. Nejvíce sexuálně dimorfní částí lidské lebky je kostěný podklad obličeje. Zatímco tvar okraje očnice v dvourozměrné projekci je špatným ukazatelem pohlaví, v trojrozměrném prostoru se projevuje pohlavně odlišné prostorové uspořádání, které je možné prakticky využít při určení pohlaví na lebce člověka. Projevy stárnutí ve tvaru lebek byly zaznamenány u těch částí splanchnokrania, které funkčně souvisí s mastikací a ztrátou dentice. Získané výsledky byly využity při sestavování 28 diskriminačních rovnic pro určení pohlaví na lebce člověka. Modely pracují s hodnotami kartézských souřadnic 22 význačných bodů na lebce, které jsou převedeny na sadu 17 lineárních a úhlových rozměrů. Spolehlivost těchto rovnic se pohybuje od 84% do 92,9% při zpětné validaci na referenční populaci a od 81% do 100% při validaci na nezávislém testovacím souboru (N=21). Diskriminační rovnice byly zakomponovány do jednoduchého počítačového programu COLIPR (Coordinate-based Legal Investigation Program), který usnadňuje proces určení pohlaví na lebce podle vytvořeného algoritmu.

Abstract:

The thesis presents a study of the human craniofacial morphology in present-day populations studied on documented osteological collections. The sample of 355 specimens of Czech and Portuguese origin was studied from multiple viewpoints in order to explore factors which interact in the process of shaping human crania (sexual dimorphism, population affinity, age). The study was based on a variety of exploratory tools adopted from the traditional and geometric morphometrics. A dataset of 53 cranial landmarks and orbital contours was recorded by using MicroScribe digitizer and by digital photography. This permitted us to evaluate applicability of multiple methodological approaches which could improve techniques currently used in the course of forensic examination (Procrustes superimposition, elliptic Fourier analysis, multivariate statistics). Of studied factors, the affinity to studied collection, linking population affinity and properties of the osteological specimens, was pointed out as the fundamental operator in shaping observed craniofacial phenotype. Czech crania have shorter, broader vaults with wide flatter faces and convergent flat orbits. Portuguese crania are longer and narrower in the cranial vault with similarly narrower and higher faces, and with orbital rims characteristically flexed backwards and extended in the inferiolateral directions. The sexual dimorphism, although of variable, population-specific patterns, was manifested primarily in the shape of facial skeleton. The form of orbital outline was found to be a relatively poor sex indicator but the spatial arrangement of orbits does increase discrimination power of traditional quantitative cranial traits. As a practical output usable in skeletal and forensic anthropology we established 28 discriminant equations for sex diagnosis in human skull. Based on 17 linear and angular measurements computed from 22 cranial landmarks, the sex determination ranged the accuracy from 84% to 92.9% of correctly classified cases. The legitimacy of established equations was tested on an independent sample (N=21). In order to facilitate the procedure of sex diagnosis by newly established equations, COLIPR (Coordinate-based Legal Investigation Program), a simple software environment, was created. COLIPR is designed to work with both digitizer-based and caliper-based parameters and thus could become a helpful assistance in the execution of anthropological examination.

Keywords

Kraniofaciální variabilita, geometrická morfometrie, tvar očnice, eliptická Fourierova analýza, prokrústovská superpozice, sexuální dimorfimus, vnitropopulační a mezipopulační rozdíly, projevy stárnutí, intra-observer error

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 3. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 26. 3. 2009
• Supervisor: prof. PhDr. Jaroslav Malina, DrSc.
• Reader: prof. RNDr. Miloš Macholán, CSc., prof. RNDr. Ivo Budil, Ph.D., DSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Anthropology