Digital analysis of the diploic vascular system in Anatomy, Archaeology and Paleoanthropology and its implications in the hominid endocranial thermoregulation

• Auteur / Autrice : Gizéh Rangel de Lázaro
• Direction : Martin Frieß, Emiliano Bruner, Carlos Lorenzo Merino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Paléoanthropologie
• Date : Soutenance le 10/04/2018
• Etablissement(s) : Paris, Muséum national d'histoire naturelle en cotutelle avec Universitat Rovira i Virgili (Tarragone, Espagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Histoire naturelle de l'homme préhistorique (Paris ; Perpignan ; Tautavel, Pyrénées-Orientales)
• Jury : Président / Présidente : Marina Lozano Ruiz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Frieß, Emiliano Bruner, Carlos Lorenzo Merino, Marina Lozano Ruiz, Markus Bastir, Julie Arnaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Markus Bastir, Julie Arnaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Craniologie

Mots clés libres

Morphologie craniovasculaire

Canal diploïque

Anatomie digitale

Paléoneurologie

Vaisseaux méningés moyens

Sinus veineux

Craniovascular morphology

Diploic channel

Digital anatomy

Paleoneurology

Middle meningeal vessels

Venous sinuses

Résumé

Les canaux diploïques sont placés dans l'os spongieux entre les couches corticales de la voûte (externe et interne). Les veines diploïques sont grandes, à parois minces et sans valvule parcourant un réseau de canaux microscopiques. Les veines diploïques semblent être plus développées chez les humains que chez les primates non humains, suggérant un rôle clé dans l'évolution humaine. Notre objectif principal est de fournir un protocole de segmentation pour les canaux diploïques et l'analyse tomodensitométrique (TDM), une description quantitative de leur variation chez les humains modernes (non adultes et adultes), les primates non humains et les spécimens fossiles. Le TDM a été utilisé pour la visualisation 2D et 3D de canaux diploïques, le rendu et la mesure. L'effet de différentes résolutions sur le rendu anatomique final a été évalué. Nous développons un protocole spécifique pour segmenter le système vasculaire et identifier les branches principales, en réduisant le bruit introduit par l'os spongieux. Nous décrivons leurs réseaux vasculaires, en fournissant des comparaisons quantitatives et des corrélations entre l'épaisseur de l'os compact et spongieux, la longueur des branches et la taille de la lumière, les asymétries vasculaires et la distribution volumétrique dans les os frontaux, pariétaux et occipitaux. Les communications entre le réseau diploïque avec l'artère méningée à la fosse temporale, avec les veines émissaires à l'os occipital, et avec les sinus veineux à la confluence des sinus ont été notées. Les aires pariétales sont les plus vascularisées chez les humains modernes, tandis que les primates humains et fossiles, présentent une variation et un développement vasculaire plus faibles. L'utilisation de TDM à haute résolution peut entraver la segmentation semi-automatique des canaux diploïques. La résolution optimale est suffisante pour reconstruire les canaux sans augmenter le bruit associé à la structure trabéculaire. Compte tenu des différences métaboliques probables et des contraintes associées à la taille et à la forme modernes du cerveau humain, il convient d'évaluer si ces différences vasculaires peuvent être dues à la thermorégulation endocrânienne. Par conséquent, compte tenu de la contribution possible des vaisseaux diploïques à la thermorégulation cérébrale et à la gestion de la chaleur, l'analyse du réseau diploïque pourrait être pertinente en anthropologie, en médecine et en paléontologie.

The diploic channels are placed in the cancellous bone between the vault cortical layers (external and internal). The diploic veins are large, thin-walled and valveless running through a network of microscopic channels. Diploic veins appear to be more developed in humans than in non-human primates, suggesting a key role in human evolution. Our main goal is to provide a segmentation protocol for diploic channels and computed tomography analysis (CT), a quantitative description of their variation in modern humans (non-adults and adults), non-human primates, and fossil specimens. The CT was used for the 2D and 3D visualization of diploic channels, rendering and measure. The effect of different resolution on the final anatomical rendering was evaluated. We develop a specific protocol to segment the vascular system and identify the main branches, reducing the noise introduced by the cancellous bone. We describe their vascular networks, providing quantitative comparisons and correlations between compact and cancellous bone thickness, vessels branch length and lumen size, vascular asymmetries and volumetric distribution in frontal, parietal and occipital bones. Communications between the diploic network with the meningeal artery at the temporal fossa, with the emissary veins at the occipital bone, and with the venous sinuses at the confluence of sinus were noted. The parietal areas are the most vascularized in modern humans, while human fossil and non-human primates, show lower vascular variation and development. The use of CT at high resolution can hamper semi-automatic segmentation of the diploic channels. Optimal resolution is sufficient to reconstruct the channels without increasing noise associated with the trabecular structure. In view of probable metabolic differences and constraints associated with modern human brain size and shape, it should be evaluated whether these vascular differences can be due to endocranial thermoregulation. Therefore, considering the possible contribution of diploic vessels in brain thermoregulation and heat management, the analysis of the diploic network may be relevant in anthropology, medicine, and paleontology.