Surfin’ endocasts: The good and the bad on brain form

Emiliano Bruner and Naomichi Ogihara

Plain Language Abstract

Computed methods have deeply improved morphometrics. Nonetheless, these techniques require a specific expertise and are based on complex numerical transformations. Appealing graphic outputs or numerical results can easily introduce biased information, if the limitations of these tools are not taken into account. Methods based on rough geometry instead of actual anatomical elements are particularly sensitive to these kinds of drawbacks. Numerical and spatial models in morphometrics refer to specific geometrical or physical properties of the organisms and not to the organisms themselves.

Resumen en Español

Surfear endocráneos: lo bueno y lo malo en morfología cerebral

La anatomía digital y la morfometría computada actualmente representan herramientas básicas en antropología, zoología y paleontología. A pesar de las interfaces fáciles de usar de los programas, estos métodos requieren una sólida experiencia en estadística, imágenes biomédicas y gráficos por computadora. El modelado geométrico tiene como objetivo normalizar la variación de forma y comparar formas dentro de un espacio de referencia compartido. Como cualquier otro enfoque de modelado, se puede usar para probar hipótesis o para investigar la estructura de una variación de muestra. En ambos casos, los modelos se refieren a variables y parámetros específicos, y siguen criterios numéricos que se basan en reglas algebraicas y convencionales. Si los modelos se interpretan de manera demasiado amplia y se confunden con los elementos anatómicos reales, las conclusiones pueden estar muy sesgadas. Este riesgo puede ser particularmente relevante cuando se trata de métodos morfométricos que no utilizan referencias anatómicas, como análisis de puntos homólogos deslizantes, análisis de superficie o morfometría basada en reconocimiento de voxel. Todas estas técnicas se emplean principalmente en craneología, paleoneurología y neuroanatomía evolutiva. Siguiendo estos enfoques, los elementos se analizan como "objetos" y no como "elementos anatómicos", introduciendo ruido e inconvenientes debido a los procesos de registro y a la ausencia de restricciones asociadas con los límites anatómicos. Las desventajas pueden evitarse interpretando modelos geométricos como representaciones específicas de un conjunto de propiedades de los sistemas anatómicos originales y no como mera efigie generalizada de elementos biológicos.

Palabras clave: paleoneurología; morfometría; análisis de forma; análisis de superficie

Traducción: Enrique Peñalver (Sociedad Española de Paleontología)

Résumé en Français

Surfer sur les endocrânes : le bon et le mauvais sur la forme du cerveau

L’anatomie numérique et la morphométrie assistée par ordinateur représentent actuellement les outils basiques en anthropologie, zoologie, et paléontologie. Malgré les interfaces ergonomiques des programmes, ces méthodes nécessitent une expertise robuste en statistiques, imagerie biomédicale, et infographie. La modélisation géométrique vise à normaliser la variation de conformation pour comparer les formes au sein d’un espace de référence partagé. Comme avec toute autre approche de modélisation, cela peut être utilisé pour tester des hypothèses ou pour étudier la structure de la variation d’un échantillon. Dans les deux cas, les modèles s’appuient sur des variables et des paramètres spécifiques, et ils suivent des critères numériques qui sont basés sur des règles conventionnelles d’algèbre. Si les modèles sont interprétés de manière trop large et confondus avec les vrais éléments anatomiques, les conclusions peuvent être sérieusement biaisées. Ce risque peut être particulièrement pertinent pour les méthodes morphométriques qui n’utilisent pas de points de référence anatomiques, comme les points de repère glissants (« sliding landmarks »), les analyses de surface, ou la morphométrie basée sur les voxels. Toutes ces techniques sont fréquemment utilisées en craniologie, paléoneurologie, et neuroanatomie évolutive. Dans ces approches, les éléments sont analysés comme des « objets » et non comme des « éléments anatomiques », ce qui introduit du bruit et des limitations liées aux processus de saisie des données et à l’absence de contraintes associées avec les limites anatomiques. Ces limitations peuvent être évitées en interprétant les modèles géométriques comme des représentations spécifiques d’un jeu de propriétés des systèmes anatomiques d’origine et non comme une effigie généralisée des éléments biologiques.

Mots-clés : paléoneurologie ; morphométrique ; analyse des conformations ; analyse de surface

Translator: Antoine Souron

Deutsche Zusammenfassung

Surfin’ endocasts: Das gute und schlechte über Hirnformen

Digitale Anatomie und Computer-Morphometrie sind derzeit die Basiswerkzeuge in der Anthropologie, Zoologie und Paläontologie. Trotz der bedienerfreundlichen Oberflächen und Programme erfordern sie eine gute Expertise in Statistik, biomedizinischer Bildgebung und anderen Computergrafiken. Geometrisches Modellieren ist bestrebt Formavarianten zu normalisieren im Vergleich mit Formen innerhalb einer gemeinsamen Referenzfläche. Wie jeder andere Modellierungsansatz kann es zum Testen von Hypothesen oder zur Strukturuntersuchung einer Probenvariante genutzt werden. In beiden Fällen beziehen sich die Modelle auf spezifische Variablen und Parameter und sie folgen numerischen Kriterien die auf mathematischen und konventionellen Regeln basieren. Wenn Modelle zu weit ausgelegt werden und mit den echten anatomischen Elementen durcheinandergebracht werden, können die Schlussfolgerungen erheblich verzerrt werden. Das Risiko kann besonders relevant sein im Umgang mit morphometrischen Methoden wie verschiebbare Orientierungspunkte, Oberflächenanalyse oder voxel-basierter Morphometrie. All diese Techniken werden häufig in der Kraniologie, Paläoneurologie und der evolutionären Neuroanatomie eingesetzt. Gemäß diesen Ansätzen werden Elemente als „Objekte“ analysiert und nicht als „anatomische Elemente“ was ein Rauschen mit sich bringt und nachteilig ist wegen der Registrierungsverfahren und dem Fehlen von Constraints, die mit den anatomischen Grenzen zusammenhängen. Nachteile können vermieden werden, wenn geometrische Modelle als konkrete Darstellungen eines Satzes von Eigenschaften des originalen anatomischen Systems interpretiert werden und nicht als generalisierte Abbildungen eines biologischen Systems.

Schlüsselwörter: Paläoneurologie; Morphometrik; Formanalyse; Oberflächenanalyse

Translator: Eva Gebauer

Arabic

Translator: Ashraf M.T. Elewa