Brain landmarks and paleoneurology: comparing physical and laser scan endocasts in living hominoids

Abstract

Paleoneurology studies brain evolution through the analysis of endocasts (endocranial moulds), that display features of the endocranial tissues, including the brain. Currently, the study of shape relies on the statistical tools provided by geometric morphometrics, which is based on landmark data. Landmarks are anatomical points defined by Cartesian coordinates in 2 or 3 dimensions, which are correspondent between species. The consistency of a study depends upon the repeatability and precision of the landmarks included. The application of landmark data analysis on endocasts is further influenced by the difficulties in identifying cortical brain regions to localize cortical landmarks. These difficulties can increase when dealing with digital casts. This study compares physical and digital endocasts from living hominoids to evaluate the uncertainty associated with the localization of major cortical references, and how this can be influenced by the different data source. Nineteen 3D brain landmarks coordinates were collected ten times from physical endocasts and ten times from their laser scanned surface replicas, from seven species (Homo sapiens, Pan troglodytes, Pan paniscus, Gorilla gorilla, Pongo pygmaeus, Hylobates moloch and Symphalangus syndactylus). Error analyses were computed to assess the reliability of each reference point depending upon the cortical area and the type of endocranial reconstruction (physical or digital). Results suggest that cortical brain landmarks on endocasts show a good reliability and can be used for taxonomic analysis. Although with different patterns of variation, both physical and digital data give similar results. The less reliable landmarks are those located on the parietal bosses.

A Paleoneurologia estuda a evolução cerebral através da análise de moldes do endocrânio (“endocasts”), os quais exibem estruturas dos tecidos endocranianos, incluindo o cérebro. Actualmente, o estudo da forma baseia-se em ferramentas estatísticas fornecidas pela morfometria geométrica, baseada em pontos de referência (“landmarks”). Estes são pontos anatómicos definidos por coordenadas Cartesianas em 2 ou 3 dimensões, e correspondentes entre espécies. A coerência de um estudo depende da possibilidade de repetição e da precisão destes pontos. A aplicação de uma análise de morfometria geométrica em moldes endocranianos é influenciada pela dificuldade em identificar as regiões cerebrais para localizar pontos de referência do córtex. Estas dificuldades podem aumentar quando se usam moldes digitais. Este estudo compara moldes físicos e digitais de primatas antropomorfos modernos para avaliar a incerteza associada à localização das principais referências corticais, e como esta pode ser influenciada pelo tipo de molde usado. As coordenadas tridimensionais de dezanove pontos de referência foram recolhidas dez vezes dos moldes físicos e dez vezes das suas réplicas digitais. Sete espécies foram analisadas (Homo sapiens, Pan troglodytes, Pan paniscus, Gorilla gorilla, Pongo pygmaeus, Hylobates moloch and Symphalangus syndactylus). Realizaram-se análises de erro para verificar a precisão de cada ponto, dependendo da região cortical e do tipo de reconstrução endocraniana (física ou digital). Os resultados sugerem que os pontos de referência corticais em moldes endocranianos são relativamente fiáveis, podendo ser utilizados em análises taxonómicas. Embora com diferentes padrões de variação, tanto os moldes físicos como os digitais dão resultados semelhantes. Os pontos menos fiáveis foram os localizados nas bossas parietais.