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Laser confocal microscopy and geographic information systems in the study of dental morphology

Jukka Jernvall and Lena Selänne

Plain Language Abstract

A new microscope-based method is described that uses a beam of laser light to cause casts of teeth to fluoresce or give off light. By varying the distance from microscope lens to a cast in a controlled way, only fluorescence from a thin portion of the cast is detected. A series of cross-section pictures can be obtained that, when stacked together, create an accurate three-dimensional virtual model of the tooth's external surface. The method is illustrated by applying it to the study of the enamel tops, or crowns, of small mammal teeth. One use of the new method is to precisely locate features on the morphologically complicated surfaces of teeth so that their relative positions can be measured. By using such measurements paleontologists can identify different species and test a wide range of evolutionary and ecological hypotheses. In addition, the similarity between the new virtual morphological models and land-surface elevation maps suggests that the same computer software used to characterize landforms could be used to characterize the complex surfaces of teeth, as well as the shapes of other fossils. These methods have wide application throughout paleontology and organismal biology.

Resumen en Español

Microscopía confocal láser y sistemas de información geográfica en el estudio de la morfología dentaria

El advenimiento de los ordenadores ha posibilitado el uso de nuevas metodologías analíticas, mientras que la naturaleza de los datos originales y los métodos para su adquisición han experimentado cambios menores. La mayor parte de los métodos analíticos se apoyan en datos sobre puntos equivalentes, cuya posición se puede estimar con facilidad en los dientes. Sin embargo, la elección de tales puntos puede limitar el alcance de un estudio ulterior, pues las decisiones relativas a la recolección de datos han de tomarse con anterioridad al registro de las posiciones de los puntos equivalentes. En este artículo se presenta una metodología que permite registrar y analizar la morfología de la corona dentaria en especímenes de pequeñas dimensiones, sin que apenas se pierda información sobre su forma. Para ello se obtienen secciones ópticas de moldes de resina epoxy teñida con eosina, realizadas a intervalos de 25-100 µm usando un microscopio confocal láser de fluorescencia. Por otra parte, también pueden seccionarse ópticamente las piezas dentarias originales, utilizando luz reflejada. A partir del banco de imágenes obtenidas se producen modelos tridimensionales de alta resolución digital (MTD) de las coronas dentarias, usando la opción de visualización en relieve (3Dview) del programa de análisis de imagen NIH-Image (MacOS). Dichos modelos se pueden transferir entonces a un Sistema de Información Geográfica (SIG) y también interpretarse usando programas para representar superficies. A partir de los modelos tridimensionales se pueden obtener todas las mediciones morfométricas tradicionales. Sin embargo, el conjunto de datos sobre la forma (esto es, los MTD) se puede explorar con el SIG antes de efectuar la selección de las medidas apropiadas. Más aún, dado que los MTD se pueden almacenar como un banco de datos museístico sobre morfologías dentarias, se podría acceder remotamente por medio de la red a esas morfologías tridimensionales, con lo que se reduciría la necesidad de visitar las colecciones de museos o pedir en préstamo los especímenes. Este método de escaneo confocal resulta muy apropiado para muestras amplias de dientes pequeños y otros fósiles de dimensiones reducidas.

Palabras clave: diente, morfología, SIG, microscopía confocal, modelos tridimensionales digitales

Traducción: Dr. Paul Palmqvist; Depto. de Ecología y Geología, Facultad de Ciencias; Universidad de Málaga; Campus de Teatinos s/n; E-29071 Málaga

Résumé en Français

LA MICROSCOPIE CONFOCALE AU LASER ET LES SYSTÈMES D’INFORMATIONS GÉOGRAPHIQUES DANS L’ÉTUDE DE LA MORPHOLOGIE DENTAIRE

Le développement des ordinateurs a permis l’évolution rapide au niveau de l’analyse des données, alors que les étapes d’aquisition des données connaissent une évolution plus lente. La majorité des méthodes analytiques se basent sur des points de repère facilement trouvés sur les dents. Le choix de point de repère, étant par nécessité faite avant les analyses, peut imposer des limites à une étude. Ici. Nous présentons une méthode d’enregistrer et analyser la morphologie des couronnes de petits dents sans perte substantielle d’informations. Des moulages époxie avec un colorant éosin sont sectionnés optiquement en intervales de 25-100 &m à l’aide d’un microscope confocale au laser muni d’un détecteur de fluorescence. Autrement, des spécimens originals de dents d’âge Récents peuvent souvent être sectionnés en lumière réfléchie. Des Modèles d’Élévation Digitales (MED) des couronnes des dents sont produits à partir des images à l’aide de la version #Dview du logiciel NIH-Image (MacOS). Les MED peuvent être transferrés à un système d’informations géographiques (SIG) ou interpretées par des logiciels de rendement de surfaces. Tous les mesures morphométriques traditionelles peuvent être obtenues à partir des MED. Les données de forme totale (i.e., les MED), par contre, peuvent être explorés à l’aide du SIG avant la sélection des points de repère et des mesures. De plus, étant donné que les MED peuvent être entreposés, la morphologie en trois dimensions peut être accessible sur le World Wide Web, réduisant la nécessité de visiter les collections aux musées ou d’emprunter les collections. Cette méthode de digitisation confocale convient aux grandes collections de petites dents ou autres fossiles.

MOTS CLÉS: dent, morphologie, SIG, microscopie confocale, modèle d’élévation digitale

Deutsche Zusammenfassung

Konfokale Lasermikroskopie und geographische Informationssysteme bei Untersuchungen der Zahnmorphologie Jukka

Computereinsatz hat die Benutzung neuer analytischer Techniken erlaubt, während die Art und Methode der Datenerhebung weniger Veränderung erfahren hat. Bei Zähnen beruhen die meisten analytischen Methoden auf Landmarkdaten, die einfach erhoben werden können. Die Wahl der Landmarks kann aber das Forschungsziel auch begrenzen, weil Entscheidungen über die Datenerhebung vor der Erfassung der Landmarks getroffen werden müssen. Hier stellen wir eine Methode zur Erfassung und Analyse von Zahnkronen kleiner Zähne vor, bei der nahezu kein Verlust der Forminformation auftritt. Kunstharzabgüsse mit Eosin Kleber werden in Intervallen von 25-250 Mikrometern Dicke mit Hilfe eines konfokalen Lasermikroskops und Fluoreszenzdetektion optisch geschnitten. Alternativ können Originale von rezenten Zähnen oft im reflektierten Licht optisch geschnitten werden. Hochauflösende digitale Höhenmodelle (DEM) der Zahnkronen werden mit der "3D-View" Version der NIH-Image Software (MacOS) erzeugt. Digitale Höhenmodelle können in Geographische Informationssysteme (GIS) transferiert werden, ebenso wie sie von Computerprogrammen zur Oberflächendarstellung interpretiert werden können. Alle traditionellen morphometrischen Messungen sind aus DEM erhaltbar. Allerdings können die gesamthaften Formdaten (d.h. die DEM) vor der Auswahl sinnvoller Messungen mit dem GIS erkundet werden. Darüber hinaus, weil die DEM in einer Museumsdatenbank für Zahnmorphologien gespeichert werden können, kann die dreidimensionale Morphologie dezentral auf dem World Wide Web zugegriffen werden, womit der Bedarf für Besuch und Ausleihe bei Museen reduziert wird. Die konfokale Abtastung ist für grosse Proben kleiner Zähne und anderer Fossilien gut geeignet.

Italiano

LA MICROSCOPIA CONFOCALE LASER E I SISTEMI DI INFORMAZIONE GEOGRAFICA (G.I.S.) NELLO STUDIO DELLA MORFOLOGIA DENTALE

Nello stesso momento in cui l'avvento dei calcolatori elettronici ha permesso l'uso di nuovi metodi analitici, la natura ed i metodi di acquisizione dei dati hanno subito pochi cambiamenti. La maggior parte dei metodi analitici si basa su punti di riferimento che si possono individuare facilmente sui denti. Tuttavia, poichè i punti di riferimento devono essere individuati a priori, la loro scelta può limitarne lo studio stesso. In questo lavoro presentiamo un metodo per registrare ed analizzare la morfologia della corona dentaria di piccoli denti sostanzialmente intatti. Calchi in resina colorati con eosina vengono sezionati otticamente ad intervalli tra i 25 ed i 100 µm tramite un microscopio laser confocale a fluorescenza. Altrimenti, campioni originali di denti recenti possono spesso venire sezionati otticamente. Modelli digitali tridimensionali (DEM) della corona dentaria ad alta risoluzione vengono prodotti tramite la versione 3Dview del software NIH-image (per il sistema Mac-OS). Questi modelli digitali tridimensionali possono poi essere trasferiti al G.I.S., oppure venire interpretati tramite programmi capaci di rappresentare graficamente una superficie. Con i modelli digitali tridimensionali si possono ottenere tutte le tradizionali misure morfometriche; comunque, questi modelli possono essere esplorati col G.I.S. prima di selezionare i punti di riferimento e le misure appropriate. Inoltre, poichè i modelli possono essere archiviati come una banca dati museale delle morfologie dentarie, la morfologia tridimensionale può essere consultata a distanza tramite Internet, diminuendo così il bisogno di visitare le collezioni dei musei o prendere in prestito i campioni. Questo metodo di scansione confocale si presta bene per grandi collezioni di piccoli denti ed altri piccoli fossili.

Parole chiave: dente, morfologia, G.I.S. (Sistemi di Informazione Geografica), microscopia confocale, modelli digitali tridimensionali

 

 

 

 

 

 

 

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