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Magnification and resolution in dental microwear analysis using light microscopy

Matthew C. Mihlbachler and Brian L. Beatty

Plain Language Abstract

The diets of extinct species can be interpreted by studying the microscopic scratches and other scars on teeth that accumulate as the teeth wear. Dental microwear features vary in size and clarity, and the ability of an observer to see and accurately document all of these features depends on the resolution at which the wear surface is viewed. The magnification of the tooth under the microscope is just one variable that determines the fineness of detail. If the specimens are being photographed, the number of pixels also affects resolution. Prior microwear studies have not carefully considered how different resolutions bias their data. We analyzed a collection of teeth from moose, zebra, and peccary, three species with very different diets. The microwear was analyzed on digital images taken at different magnifications and pixel densities. We were able to find similar differences between the microwear patterns of species throughout a wide range of resolutions. However, the results of two observers were most similar when the images were considerably degraded. Small microwear features were more greatly effected by changes in resolution and were harder to count precisely at all resolutions, suggesting that exclusion of these features will yield higher quality microwear data. Rather than adopting a standardized arbitrary resolution, future microwear studies may benefit more by basing their resolution settings on the size of the microwear features that are most strongly correlated with diet

Resumen en Español

Aumento y resolución en el análisis del microdesgaste dentario mediante microscopía óptica

Un aspecto potencialmente problemático del análisis del microdesgaste dentario es la sensibilidad al grado de resolución (finura de detalle) con el que se observan las superficies de desgaste de los dientes. El aumento es una de las muchas variables que determinan la resolución. Los estudios de microdesgaste con microscopía óptica se suelen hacer con aumentos que varían entre 30X y 100X, aunque la existencia de ambigüedades en los métodos utilizados impide muchas veces la replicación del grado de resolución. Además, los ajustes de aumento han sido arbitrarios y, hasta el momento, no se ha contrastado el sesgo introducido por la utilización de diferentes grados de resolución. En este estudio se ha examinado la sensibilidad de los análisis de microdesgaste dentario con respecto al grado de resolución mediante la manipulación de la densidad de píxeles y del aumento en microfotografías tomadas con microscopía óptica de molares de un ramoneador (alce), un pastador (cebra) y un frugívoro/comedor de alimentos duros (pecarí). El grado de resolución afectaba al número de rasgos de microdesgaste observables y distorsionaba las frecuencias proporcionales de caracteres grandes y pequeños. No obstante, dos observadores encontraron, de forma independiente, diferencias similares entre las especies a distintas resoluciones. Para ninguno de los grados de resolución los observadores reconocieron datos estadísticamente no diferenciados, aunque la correlación interobservador era mejor cuando la resolución disminuía al 20-40% de la resolución inicial. La correlación entre observadores era sustancialmente mejor para rasgos de microdesgaste con una dimensión máxima >20 μm que para caracteres más pequeños. Concluimos que (1) los aspectos adimensionales de los datos de microdesgate (p. ej., las proporciones de estrías entre especies) son más robustos a la resolución que los datos básicos de frecuencias, (2) un mayor grado de resolución no da lugar a datos de mayor calidad y (3) la resolución óptima puede depender del tamaño de los rasgos de microdesgaste. Un examen más profundo de la interacción entre resolución, tamaño de los caracteres de microdesgaste y observador incrementará la repetibilidad de los resultados y llevará a interpretaciones paleodietéticas más robustas.

Palabras clave: desgaste dentario; sesgo del observador; error del observador; paleodieta; paleoecología

Traducción: Miguel Company

Résumé en Français

Grossissement et résolution dans les analyses de micro-usure dentaire par microscopie optique
Le seul aspect problématique dans l'analyse de la micro-usure dentaire est sa sensibilité au niveau de résolution (finesse du détail) à laquelle les surfaces d'usures dentaires sont vues. Le grossissement est l'une de nombreuses variables qui détermine la résolution. Les études de micro-usure basée sur la microscopie optique indiquent généralement des grossissements allant de 30X à 100X, bien que des ambigüités dans les méthodes indiquées empêchent d'obtenir les mêmes résolutions dans de nombreuses études. De plus, les paramètres de grossissement ont été arbitraires et, jusqu'ici, les effets des biais liés aux différentes résolutions n'ont jamais été testés. Nous avons testé la sensibilité des analyses de micro-usures dentaires à la résolution par une manipulation de la densité des pixels et un grossissement en photomicrographies prises sous un microscope optique utilisant des molaires de 'browser' (orignal), 'grazer' (zèbre), et de frugivore/consommateur d'objets durs (pécari). La résolution a affecté le nombre de traces de micro-usures observables et a déformé la fréquence proportionnelle des grandes et petites traces. Néanmoins, deux observateurs ont trouvé indépendamment des différences similaires entre les espèces au travers des différentes résolutions. A aucune résolution, les deux observateurs n'ont pu retrouver de données statistiquement indifférenciées, bien que les corrélations entre observateurs fussent meilleures quand la résolution était augmentée de 20-40% par rapport à la résolution initiale. La corrélation d'un observateur pour des traces avec une dimension maximal >20 μm était substantiellement meilleure pour des petites traces. Nous concluons, que (1) l'aspect sans dimension des données de micro-usure (e.g., la nombre proportionnel de rayures entre espèces) sont plus robustes que les données de fréquences brutes. (2) une meilleure résolution ne produit pas de données de meilleure qualité, et (3) une résolution optimale pourrait dépendre de la taille des traces de micro-usures. D'avantages de tests sur l'interaction de la résolution, de la taille des traces de micro-usures, et l'observateur permettrons d'augmenter la reproductibilité des résultats et conduiront à des interprétations paléo-alimentaires plus robustes.

Mots clés: usure dentaire; biais de l'observateur; erreur de l'observateur; régime alimentaire fossile; paléoécologie

Translator: Olivier Maridet

Deutsche Zusammenfassung

Vergrößerung und Auflösung bei Dental-Microwear-Analysen mit Lichtmikroskopie

Ein potentiell problematischer Aspekt der Dental-Microwear-Analyse ist die Sensitiviät gegenüber der Auflösung (Detailgenauigkeit) mit der Zahnabriebsflächen angesehen werden. Vergrößerung ist eine der Variablen die die Auflösung bestimmen. Untersuchungen zur Microwear mit Lichtmikroskopie berichten im Allgemeinen von Vergrößerungen zwischen 30x bis 100x, obwohl Unklarheiten bei den genannten Methoden eine Duplikation der Auflösung in vielen Studien verhindern. Zudem waren Vergrößerungseinstellungen willkürlich und bis jetzt sind die beeinflussenden Effekte von verschiedenen Auflösungen noch nicht getestet worden. Wir prüften die Empfindlichkeit von Dental-Microwear -Analysen auf Auflösung indem wir die Pixeldichte und Vergrößerung von Mikroaufnahmen, die mit einem Lichtmikroskop gemacht worden waren manipulierten. Wir verwendeten die Molaren eines Browsers (Elch), Grazers (Zebra) und eines Frugivoren (Pecari). Die Auflösung beeinflusste die Anzahl der erkennbaren Microwear-Features und verzerrte die proportionalen Häufigkeiten von großen und kleinen Gegebenheiten. Trotzdem fanden zwei Betrachter unabhängig voneinander ähnliche Unterschiede zwischen den Arten über eine Anzahl von Auflösungen hinweg. Die Betrachter fanden bei keiner Auflösung statistisch undifferenzierte Daten, obwohl die Interobserver-Korrelation am besten war wenn die Auflösung auf 20-40% der ursprünglichen Höhe reduziert war. Die Betrachter-Korrelation für Microwear-Features mit einer maximalen Dimension von >20 μm war wesentlich besser als für kleinere Features. Wir folgern dass (1) dimensionslose Komponenten von Microwear-Daten (z.B. die proportionale Anzahl von Striemen zwischen Arten) stabiler sind gegenüber Auflösung als rohe Frequenzdaten, (2) höhere Auflösung erzeugt keine höhere Datenqualität und (3) hängt die optimale Auflösung möglicherweise von der Größe der Microwear-Features ab. Weitere Untersuchungen zur Interaktion zwischen Auflösung, Größe der Microwear-Features und dem Betrachter werden die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erhöhen und zu exakteren Interpretationen zur Paläoernährungsweise führen.

Schlüsselwörter: Zahnabrieb; Beobachter-Bias; Beobachter-Fehler; Paläoernährungsweise; Paläoökologie

Translators: Eva Gebauer

Arabic

317 arab

Translator: Ashraf M.T. Elewa

Polski Abstrakt

POWIĘKSZENIE I ROZDZIELCZOŚĆ W ANALIZIE MIKROZUŻYCIA ZĘBÓW PRZY WYKORZYSTANIU MIKROSKOPII ŚWIETLNEJ

Jednym z potencjalnie problematycznych aspektów analizy mikrozużycia zębów jest czułość na rozdzielczość (ilość zarejestrowanych szczegółów obrazu) w jakiej powierzchnie starcia zębów są obserwowane. Badania mikrozużycia wykorzystujące mikroskopię świetlną przeważnie dostarczają powiększeń rzędu 30x-100x, jednakże niejasność przedstawianych metodologii uniemożliwia powtórzenie rozdzielczości wielu badań. Na dodatek ustawienia powiększenia były dowolne, tym samym odchylenia związane z różnymi rozdzielczościami nie zostały przetestowane. Zbadaliśmy czułość analizy mikrozużycia zębów na rozdzielczość poprzez manipulacje gęstością upakowania pikseli i powiększeniem na mikrofotografiach zębów trzonowych ssaków roślinożernych o różnym sposobie pożywiania się (łoś, zebra, pekari), wykonanych mikroskopem świeltnym. Rozdzielczość wpłynęła na liczbę zaobserwowanych śladów mikrozużycia i zabużyła proporcje między ilością dużych i małych śladów. Jednakże dwóch badaczy niezależnie znalazło podobne różnice pomiędzy gatunkami w całym zakresie rozdzielczości. Przy żadnej z rozdzielczości badacze nie znaleźli statystycznie niezróżnicowanych danych, jednak korelacja pomiędzy obserwacjami była najlepsza kiedy zmniejszono rozdzielczość do 20-40% jej początkowej wartości. Korelcja obserwacji pomiędzy poszczególnymi badaczami dla śladów mikrozużycia o rozmiarach >20 µm była najlepsza w porównaniu do mniejszych śladów. Wywnioskowaliśmy iż 1) dane mikrozużycia nie odnoszące się do wymiaru śladów (np. proporcje liczby zadrapań pomiędzy gatunkami) są bardziej niezależne od rozdzielczości niż surowe dane na temat ich częstotliwości, 2) wyższa rozdzielczość nie wpływa na lepsze jakościowo dane i 3)optymalna rozdzielczość może być zależna od rozmiaru śladów mikrozużycia. Kolejne testy dotyczące zależności pomiędzy rozdzielczością, rozmiarem sladów mikrozużycia a badaczem zwiększą powtarzalność wyników i doprowadzą do bardziej dokładnych interpretacji paleodiety.

Słowa kluczowe: zużycie zębów, odchylenie badacza, błędy badaczy, paleodieta, paleoekologia

Translators: Dawid Mazurek, Robert Bronowicz, and Daniel Madzia

 

 

 

TABLE 1. P values for paired t-tests for interobserver results at different pixel widths (in μm) with constant magnification. Bold results indicate a significant difference between observers (P < 0.05).

Pixel width (μm)

14.81

7.41

3.70

1.85

0.93

0.74

NS

 

 

0.18

0.00

0.00

0.72

SP

 

 

0.00

0.00

0.00

0.04

WS

0.75

0.28

0.00

0.00

0.00

0.35

LP

0.01

0.06

0.17

0.03

0.00

0.01

WS+LP

0.00

0.00

0.04

1.00

0.61

0.03

 

TABLE 2. Pearson correlation coefficients (PCC), comparing observer one to observer two at different pixel widths (in μm) with constant magnification. Significant tests (P < 0.05) are in bold. In this case, all PCCs were significant.

Pixel width (μm)

14.81

7.41

3.70

0.91

0.93

0.74

NS

 

 

0.49

0.62

0.46

0.55

SP

 

 

0.61

0.69

0.62

0.56

WS

0.49

0.59

0.82

0.69

0.74

0.48

LP

0.56

0.64

0.91

0.83

0.86

0.85

WS+LP

0.67

0.68

0.81

0.71

0.71

0.58

Average

0.57

0.64

0.73

0.71

0.68

0.60

 

 

FIGURE 1. Resolution was iteratively degraded in two ways. The grid represents pixel density, the physical size of the image represents magnification. The top image represents the maximum pixel density and maximum magnification. In the lower left, the same wear surface is sampled at the same magnification but with a lower pixel density. In the lower right, the same wear surface is viewed with a lower magnification, also resulting in an equivalent decrease in pixel density with respect to the tooth surface.

figure 1

FIGURE 2. Resulting resolutions from iteratively reduced pixel density (left column) and reduced magnification (right column). These images are best viewed while zooming in on a computer display.

figure 2

FIGURE 3. A single microwear image iteratively degraded by reducing pixel density (center column), showing microwear interpretations (left column) and an enlarged close-up (right column).

figure 3

FIGURE 4. The microscope and camera used in this study, demonstrating calculations of optical magnification and digital resolution.

figure 4

FIGURE 5. Interobserver Pearson correlation coefficients (PCC) for microwear features from 30 identical images repeatedly analyzed at different pixel densities with constant magnification.

figure 5

FIGURE 6. Means and standard errors of microwear features for two observers who independently analyzed 30 images (10 per species) with different pixel densities.

 figure 6

FIGURE 7. Comparison of microwear data from a single observer collected from three specimens with iterative decreases in pixel density (left column) and magnification (right column).

figure 7

 

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mihlbachlerDepartment of Anatomy
New York College of Osteopathic Medicine at the New York Institute of Technology
Old Westbury, NY 11568
USA
and
Division of Paleontology
American Museum of Natural History
Central Park West at 79th St.
New York, NY 10024
USA

Matthew Mihlbachler’s primary career interest is the evolutionary paleobiology of Cenozoic mammals. He has conducted field research in Asia, Africa, and throughout North America. His research is focused on the systematics, dietary paleoecology, biogeography, functional morphology, and paleopoplulation demography of perissodactyls, with particular interest in understanding the role of climate change in biotic evolution. However, his interests in climate change and evolution has led him into investigation of other groups such as Quaternary proboscideans, rodents, artiodactyls, and early condylarths. Presently, Mihlbachler is focused on understanding dental wear as a proxy for animal-environment interaction to test hypotheses about climate and morphological adaptations. He is also currently involved in field activities in the late Eocene-Oligocene transition in Mongolia and northwestern North America to better understand intercontinental faunal dynamics during that time interval.

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beattyDepartment of Anatomy
New York College of Osteopathic Medicine at the New York Institute of Technology
Old Westbury, NY 11568
USA
and
Division of Paleobiology
National Museum of Natural History
Smithsonian Institution
Washington, DC
USA

Brian Beatty's research is focused on exploring paleobiological methods, especially on secondarily aquatic tetrapods as model systems to explore the nature of functional morphology and convergence. He is especially interested in variation and the physical interactions of animals with their environment as manifest in their feeding ecology, tooth function, enamel microstructure, dental microwear, and oral pathology. Work refining paleobiological methods has led to a focus on modern aquatic groups (including Sirenia, Cetacea, Pinnipedia, Lutrinae, Crocodylia, and Chelonia) as well as terrestrial groups (Artiodactyla, Perissodactyla, Rodentia, Squamata). Fossil groups in which he is exploring how these methods can be applied include such disparate groups as Desmostylia, Embrithopoda, Multituberculata, Phytosauria, Metriorhynchoidea, Placodontia, and Mosasauria.

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