The inner morphology of the petrosal bone of the endemic elephant of Tilos Island, Greece
Plain Language Abstract
The petrosal bone houses the bony labyrinth which represents the sensory systems of balance and hearing. The overall structure of the bony labyrinth is very hard to identify, because it lies hidden within the skull. However, microcomputed tomography has made the study of these structures possible. The significance of this research can be found on the basis that these internal structures of the petrosal bone are involved in the detection of angular motion of the head, for maintaining balance and movement behavior, as well as determining the hearing frequencies of the animal. We focused on an extinct dwarf elephant from Tilos Island of Greece, Palaeoloxodon tiliensis, which has never been studied before. After micro-CT scanning, we were able to visualize and digitally reconstruct these structures with the use of advanced imaging software. Previous works on other species of elephants suggest low frequency hearing abilities and a low agility. Analysis of the petrosal bone and its components allowed us to assess morphological differences between species and the abilities that can offer to each one. The results presented here describe these morphologies and show similar levels of auditory sensitivity and a possibly low agile dwarf elephant. We are inclined to believe that this study has great potential to inform future studies on elephant species, and their evolution through time.
Resumen en Español
La morfología interna del hueso petroso del elefante endémico de la isla de Tilos, Grecia
El laberinto óseo, como parte de la estructura interna del hueso petroso, contiene los órganos sensoriales del equilibrio y la audición. Los canales semicirculares, como parte del aparato vestibular del oído interno, participan en la detección del movimiento angular de la cabeza para mantener el equilibrio y guiar el comportamiento locomotor. Si bien la estructura general del laberinto óseo es inaccesible por encontrarse en el interior del hueso petroso, la tomografía computarizada de alta resolución hace posible el estudio de estas estructuras. El propósito de este estudio es visualizar y cuantificar con precisión las complejas estructuras del oído interno del mamífero insular Palaeoloxodon tiliensis y comentar la relación de estas morfologías con los rangos de agilidad y frecuencia auditiva. Este estudio se centra en obtener imágenes de la forma del laberinto óseo, así como de los canales semicirculares, de tres huesos petrosos, mediante micro tomografía computarizada (micro-CT). El análisis de la forma y el tamaño de la cóclea permite evaluar las diferencias morfológicas entre las especies. Específicamente, medir las dimensiones de los componentes del oído interno, así como las distancias angulares, puede expresar la variación en sus habilidades de equilibrio y las frecuencias de su percepción auditiva. Las características morfológicas obtenidas mediante micro-TC llevan a concluir que P. tiliensis conservaba condiciones similares a las de sus parientes mayores, y era un animal que tenía audición en los rangos de baja frecuencia.
Palabras clave: petrosa; micro-CT; laberinto óseo; endemismo; Palaeoloxodon tiliensis
Traducción: Francesco Gascó (Grupo de Biología Evolutiva, UNED y Sociedad Española de Paleontología)
Résumé en Français
Le labyrinthe osseux, partie de la structure interne du périotique, contient les organes sensoriels de l'équilibre et de l'audition. Les canaux semi-circulaires, faisant partie de l'appareil vestibulaire de l'oreille interne, sont impliqués dans la détection du mouvement angulaire de la tête pour maintenir l'équilibre et guider le comportement locomoteur. Alors que la structure du labyrinthe osseux est inaccessible, encastrée dans l'os pétreux, la tomographie á haute résolution permet l'analyse de ces structures. Le but de ce projet est de visualiser et de quantifier précisément les structures complexes de l'oreille interne du mammifère insulaire Palaeoloxodon tiliensis, et de commenter la relation entre ces morphologies et les gammes de fréquences d'audition et d'agilité. Ce projet se concentre sur l'imagerie de la forme du labyrinthe osseux ainsi que les canaux semi-circulaires, de trois os pétreux, en utilisant la micro-tomographie (micro-CT). L'analyse de la forme et de la taille de la cochlée permet d'évaluer les différences morphologiques entre les espèces. Plus précisément, la mesure des dimensions des composants de l'oreille interne ainsi que les distances angulaires peuvent exprimer la variation de leurs capacités d'équilibre et les fréquences de leur perception auditive. Les caractéristiques morphologiques obtenues par micro-CT conduisent à la conclusion que P. tiliensis conserve des conditions similaires à celles de ses plus grands proches et qu'il s'agit d'un animal qui entend dans les basses fréquences.
Mots clés: os pétreux, micro-CT, labyrinthe osseux, endémisme, Palaeoloxodon tiliensis
Translator: Authors
Deutsche Zusammenfassung
Die interne Morphologie des Felsenbeins des endemischen Elefanten der Insel Tilos, Griechenland
Das knöcherne Labyrinth enthält als Teil der inneren Struktur des Felsenbeins die Sinnesorgane für Gleichgewicht und Gehör. Die Bogengänge sind als Teil des Gleichgewichtsorgans des Innenohrs an der Erfassung von Winkelbewegungen des Kopfes beteiligt, um das Gleichgewicht zu halten und das Bewegungsverhalten zu steuern. Während die im Felsenbein eingebetteten Strukturen von außen nicht sichtbar sind, ermöglicht die hochauflösende Computertomographie die Untersuchung dieser Strukturen. Ziel dieser Studie ist es, die komplexen Innenohrstrukturen des Inselsäugers Palaeoloxodon tiliensis zu visualisieren und präzise zu quantifizieren und die Beziehung dieser Morphologie zu Beweglichkeit und Hörfrequenzbereichen festzustellen. Diese Studie beschäftigt sich mit der Darstellung der Form des knöchernen Labyrinths sowie der Bogengänge von drei Felsenbeinen mittels Mikro-Computertomographie (Mikro-CT). Form- und Größenanalysen der Hörschnecke ermöglichen die Beurteilung morphologischer Unterschiede zwischen den Arten. Insbesondere die Abmessungen von Innenohrkomponenten sowie die Winkel zwischen den Bogengängen können die Variation ihres Gleichgewichtsvermögens und der Frequenzen ihrer Hörwahrnehmung ausdrücken. Die durch Mikro-CT sichtbar gemachten morphologischen Merkmale führen zu der Schlussfolgerung, dass das Innenohr von P. tiliensis sich in einem ähnlichen Zustand wie seine größeren Verwandten befand und es sich um ein Tier handelte, das im tiefen Frequenzbereich hörte.
Dionysia E. Liakopoulou. National and Kapodistrian University of Athens, Faculty of Geology and Geoenvironment, Panepistimiopolis, 15784 Athens, Greece, dliakopoulou@geol.uoa.gr George E. Theodorou. National and Kapodistrian University of Athens, Faculty of Geology and Geoenvironment, Panepistimiopolis, 15784 Athens, Greece, gtheodor@geol.uoa.gr Anneke H. van Heteren. Zoologische Staatssammlung München – Staatliche Naturwissenschaftliche Sammlungen Bayerns, Münchhausenstraße 21, 81247 München, Germany; Ludwig-Maximilians-Universität München, GeoBio-Center, Richard-Wagner-Straße 10, 80333 Munich, Germany; Ludwig-Maximilians-Universität München, Department Biologie II, Großhaderner Straße 2, 82152 Planegg-Martinsried, Germany, vanHeteren@snsb.de
Schlüsselwörter: Felsenbein; Mikro-CT; knöchernes Labyrinth; Endemismus; Palaeoloxodon tiliensis
Translator: Authors
Arabic
Translator: Ashraf M.T. Elewa
Polski
Wewnętrzna morfologia kości skalistej endemicznego słonia z wyspy Tilos w Grecji
Labirynt kostny jako część wewnętrznej struktury kości skalistej, zawiera narządy zmysłów równowagi i słuchu. Kanały półkoliste jako część aparatu przedsionkowego ucha wewnętrznego, są zaangażowane w wykrywanie ruchu kątowego głowy w celu utrzymania równowagi i kierowania zachowaniem lokomotorycznym. Chociaż ogólna błędnik kostny jest niedostępny, gdyż jest on pogrążony w kości skalistej, tomografia komputerowa o wysokiej rozdzielczości umożliwia badanie tych struktur. Celem takich badań jest wizualizacja i precyzyjna ocena ilościowa złożonych struktur ucha wewnętrznego ssaka Palaeoloxodon tiliensis, zamieszkującego wyspę oraz skomentowanie związku ich morfologii ze zwinnością i zakresami częstotliwości słyszenia. W pracy skupiono się na obrazowaniu kształtu błędnika kostnego oraz kanałów półkolistych trzech kości skalistych za pomocą tomografii mikrokomputerowej (micro-CT). Analiza kształtu i wielkości ślimaka pozwala na ocenę różnic morfologicznych między gatunkami. W szczególności pomiar elementów ucha wewnętrznego, a także odległości kątowych, może dostarczyć informacji o zmienności ich zdolności równoważenia i częstotliwości percepcji słuchowej. Charakterystyka morfologiczna uzyskana za pomocą mikrotomografii pozwala stwierdzić, że P. tiliensis był pod tym względem podobny do swoich większych krewnych i słyszał także w niskich zakresach częstotliwości.
Słowa kluczowe: kość skalista; mikro-CT; kostny labirynt; endemizm; Paleoloxodon tiliensis
Translator: Krzysztof Stefaniak
Russian
Внутренняя морфология каменистой кости эндемичного слона с острова Тилос, Греция
Костный лабиринт, как часть внутренней структуры каменистой кости, содержит органы равновесия и слуха. Полукружные каналы, как часть вестибулярного аппарата внутреннего уха, участвуют в обнаружении углового движения головы для поддержания равновесия и управления двигательным поведением. В то время как общая структура костного лабиринта недоступна для осмотра, будучи интегрированной в каменную кость, компьютерная томография с высоким разрешением делает возможным изучение этих структур. Цель этого исследования – визуализировать и точно количественно оценить сложные структуры внутреннего уха островного млекопитающего Palaeoloxodon tiliensis и прокомментировать взаимосвязь их морфологии с частотными диапазонами слуха. Это исследование сфокусировано на визуализации формы костного лабиринта, а также полукружных каналов трех каменистых костей с помощью микрокомпьютерной томографии (микро-КТ). Анализ формы и размера улитки позволяет оценить морфологические различия между видами. В частности, измерение размеров компонентов внутреннего уха, а также угловых расстояний между ними может выразить различия в балансирующей способности и частотах слухового восприятия разными животными. Морфологические характеристики, полученные с помощью микро-КТ, позволяют сделать вывод, что P. tiliensis существовал в тех же условиях, что и его более крупные сородичи, и это было животное, которое имело слух в низкочастотном диапазоне.
Ключевые слова: каменистая кость; микро-КТ; костный лабиринт; эндемизм; Palaeoloxodon tiliensis
Translator: Oleksandr Kovalchuk
Ukrainian
Внутрішня морфологія кам'янистої кістки ендемічного слона з острова Тилос, Греція
Кістковий лабіринт, як частина внутрішньої структури кам'янистої кістки, містить органи рівноваги і слуху. Півкруглі канали, як частина вестибулярного апарату внутрішнього вуха, беруть участь у виявленні кутового руху голови для підтримки рівноваги і управління руховою поведінкою. У той час як загальна структура кісткового лабіринту недоступна для огляду, будучи інтегрованою в кам'янисту кістку, комп'ютерна томографія з високою роздільною здатністю робить можливим вивчення цих структур. Мета цього дослідження полягає у візуалізації і точній кількісній оцінці складних структур внутрішнього вуха острівного ссавця Palaeoloxodon tiliensis й обговоренні взаємозв'язку їхньої морфології з частотними діапазонами слуху. Це дослідження сфокусовано на візуалізації форми кісткового лабіринту, а також півкруглих каналів трьох кам'янистих кісток за допомогою мікрокомп'ютерної томографії (мікро-КТ). Аналіз форми і розміру равлика дозволяє оцінити морфологічні відмінності між видами. Зокрема, вимір розмірів компонентів внутрішнього вуха, а також кутових відстаней між ними може виявити відмінності в здатності до балансування і частотах слухового сприйняття різними тваринами. Морфологічні характеристики, отримані за допомогою мікро-КТ, дозволяють зробити висновок, що P. tiliensis існував у тих же умовах, що і його крупніші родичі, і це була тварина, яка мала слух у низькочастотному діапазоні.
Ключові слова: кам’яниста кістка; мікро-КТ; кістковий лабіринт; ендемізм; Palaeoloxodon tiliensis
Translator: Oleksandr Kovalchuk
Chinese
希腊蒂洛斯岛特有象岩骨的内部形态
骨迷路作为岩骨内部结构的一部分, 包含平衡和听觉的感觉器官。半规管作为内耳前庭器官的一部分, 参与检测头部的角运动，以保持平衡和引导运动行为。虽然嵌入岩骨中的骨迷路的整体结构无法直接观察, 但高分辨率计算断层扫描使研究这些结构成为可能。本研究的目的是可视化和精确量化岛屿哺乳动物Palaeoloxodon tiliensis的复杂内耳结构, 并探讨这些形态与敏捷性和听力频率范围的关系。这项研究的重点是使用显微计算断层扫描(micro-CT)对三个岩骨的骨迷路和半规管的形状进行成像。耳蜗的形状和大小分析使我们得以评估不同种之间的形态差异。具体而言, 测量内耳不同组成部分的尺寸及角距可以显示其平衡能力和听觉感知频率的变化。通过显微计算机断层扫描(micro-CT)获得的形态特征得出结论, 即P. tiliensis保留了与其较大个体亲属相似的特征, 并且它是一种在低频范围内具有听力的动物。
关键词: 岩骨; 显微计算断层扫描; 骨迷路; 特有种; Palaeoloxodon tiliensis
Translator: Hongshan Wang
