Látványos 3D-modellek a kutyák agyáról koponyák alapján: Mindössze kétszerese egy megtermett nápolyi masztiff agytérfogata az apró csivaváénak

English below

Digitalizált koponyák alapján rekonstruálták az ELTE és a Kaposvári Egyetem kutatói 24 kutyafajta és 4 vadon élő farkasféle agyát. A képek és modellek szemléletesen mutatják be az egyes fajták közötti jelentős alak- és térfogatbeli különbségeket. Az agy ugyanis nem méretarányosan változik a kis- és nagytestű kutyafajták között, és az arckoponya hossza lényeges hatással van egyes agyterületekre, főleg a szaglólebenyre és a homloklebeny elülső részére.

Az agy ugyan nem fosszilizálódik, de akár egy koponya alapján is lehetséges dinoszauruszok, madarak, emlősök, (ős)emberek agyának fejlettségét rekonstruálni a csont belső felszínének mintázata és formája alapján. Ennek eléréséhez régebben fokozatosan megszilárduló anyaggal töltötték ki a koponyaüreget (pl. megolvasztott fémmel vagy műanyaggal), amely így felvette az agykoponya belső formáját. Az így elkészült öntvényt, ami nagy pontossággal tükrözte az agy alakját, kibontották a koponyából. Ezeket az agyi öntvényeket nevezik endokasztoknak (az angol ‘endocranial cast’ kifejezés nyomán).
Mivel a hagyományos endokasztos eljárás gyakran invazív, és így a csont sérülését okozhatja a koponyalyukak bezárásakor, illetve az öntvény eltávolításakor, ezért a diagnosztikai képalkotó eljárások elterjedése óta ezek a módszerek előnyt élveznek, mivel nem ártalmasak a csontra. Ez egy múzeumi példánynál vagy egy őskori fosszíliánál alapvető fontosságú. A csontok vizsgálatára az egyik legjobb lehetőséget a komputertomográfiás képalkotás (CT) adja. Így a kutatók nem csak a csontot tudják megvizsgálni, annak minden alak- és szerkezetbeli jellegzetességével, hanem megfelelő szoftverekkel digitális öntvényeket is elő tudnak állítani. Ez pedig sokkal nagyobb szabadságot ad, ugyanis egy digitális modell tetszőleges módon vágható, színezhető, forgatható, kiegészíthető, áttetszővé tehető, sőt, a 3D-nyomtatással szinte bármilyen méretben és darabszámban elő is állítható és kézbevehető.

https://youtu.be/R7k-b-soVN4

Egy beagle koponyája és digitális agyi öntvénye (endokasztja). A videót készítette: Dr. Czeibert Kálmán

A komputertomográfiás képalkotás azt is jól láthatóvá teszi, hogyan változott meg a kutyafajták agya a mesterséges szelekció hatására. Az ELTE TTK Anatómiai, Sejt- és Fejlődésbiológiai Tanszék kutatójának, dr. Csörgő Tibornak a gyűjteménye közel 400 kutyakoponyát tartalmaz 152 fajtából, ezek közül 28-at vizsgáltak meg alaposabban a Frontiers in Veterinary Science-ben októberben megjelent tanulmányukhoz a kutatók. “A háromdimenziós modellezés eredményeként sikerült olyan részletességgel visszaadni az agy felszínét, hogy nemcsak a főbb agyi tekervények helye, hanem egyes erek lenyomata is tisztán látszik a modelleken”. - mondta dr. Czeibert Kálmán, állatorvos, az ELTE Szenior Családi Kutya Program posztdoktor kutatója, a tanulmány első szerzője. “A virtuális endokasztok világosan megmutatják azt is, hogy a koponya arcorri részének rövidülése együtt jár az agy egyre erősebb torzulásával: a szaglóhagyma fokozatosan hátrébb tolódik, és bizonyos fajtákban, például a mopszoknál és a francia buldogoknál szinte egészen a homloklebeny alá kerül. Ez pedig megváltoztatja az egyes területek egymáshoz viszonyított arányát.”

Az új kollekció az ELTE Etológia Tanszéken működő, az Európai Kutatási Tanács (ERC) támogatásából létrehozott Kutya Agy- és Szövetbank része. A bank segítségével a kutatócsoport a jövőben azt szeretné vizsgálni, hogyan függ össze az agy alakjának megváltozása a viselkedéssel, a szaglással, a kommunikációs és problémamegoldó képességgel. ”Az alaki eltérést ellensúlyozhatja az adott területen található idegsejtek eloszlása, mennyisége, funkciója és a kapcsolataik más agyi központokkal. Ehhez viselkedéstesztek, különböző képalkotó- (CT, MR, EEG), szövettani- és molekuláris vizsgálatok egyaránt szükségesek lehetnek.” - mondja Kubinyi Enikő, az ELTE tudományos főmunkatársa, a kutatócsoport vezetője. “A tompa orrú kutyáknak lehet, hogy rosszabb a szaglása, de egyes szemészeti sajátosságaiknak köszönhetően sokkal több mindent észrevesznek az emberek jelzéseiből.”

“Az egyik fő célunk a tudományos ismeretterjesztés volt.” - teszi még hozzá Czeibert. “A digitális képalkotással jól láthatók az egyes fajták közti különbségek. Például figyelemreméltó, hogy miközben egy átlagos felnőtt csivava és egy nápolyi masztiff között a testtömegkülönbség közel harmincszoros, a koponyaűr (és ennek következtében az agyak) térfogata mégis mindössze alig kétszeres eltérést mutat egymástól.” A kutatók a későbbiekben további koponyák digitalizálását tervezik mikroevolúciós vizsgálatokhoz egy nemzetközi együttműködés keretében.

Egy csivava és egy nápolyi masztiff koponyája és endokasztja (a koponya alapján rekonstruált agya) méretarányosan egymás mellé helyezve. A képet készítette: Dr. Czeibert Kálmán

Kutyafajták endokasztjai

Comparing canine brains using 3D-endocast modelling

Based on digital endocranial cast models the canine brain does not increase proportionally with body size. Researchers at ELTE Eötvös Loránd and Kaposvár University in Hungary reconstructed the surface morphology of 28 canine brains, including various dog breeds, wolves, coyotes, and jackals. The shortening of the facial skeleton greatly influences the ratio of certain brain regions, primarily the olfactory bulb and the frontal lobe. These changes might have profound implications for olfactory and problem-solving abilities.

Reconstructing the brain based on the internal surface patterns of a skull is a well-known method among archeologists studying the brains of extinct species, e.g. dinosaurs, mammoths and even cavemen. One way to achieve a model of the brain is to fill the endocranial space with specific gradually hardening fluids, and after the solidifying of the material the bones can be removed to reveal the cast, which reflects the surface of the brain with high fidelity. These are called endocranial casts, or endocasts.

Nowadays, rather than utilising endocasts, invasive process diagnostic imaging techniques are highly preferred. Computer tomography (CT) is the best and easiest way to visualize the bones, with all of their external and internal structures and composition. Using CT is also advantageous in endocranial analysis, as researchers can create virtual endocasts based on the digitized skulls. This allows for a higher freedom during examinations, because these virtual models can be rotated, colorized, cut, and completed. They can be shown not only on mobile phones, tablets or computers, but with the help of 3D-printing technology one can replicate them in the requested number and scale as well.

This digital endocasting technique was used by researchers from ELTE who scanned skulls from the collection of dr. Tibor Csörgő (ELTE, Department of Anatomy, Cell and Developmental Biology), which comprises almost 400 dog skulls from 152 canine breeds. “Due to the high resolution scanning, detailed 3D models could be created. This means that not only the main convolutions, that is, the cerebral gyri, can be recognized on the final model, but the location of the major blood vessels can also be seen on the surface.” - explains dr. Kálmán Czeibert, veterinarian and postdoctoral researcher at the Senior Family Dog Project, first author of the publication. “We compared the shape, volume and surface features of the endocasts from 28 specimens in our recent study in Frontiers in Veterinary Science. These models clearly show how the shortening of the facial part of the skull affected the morphology of the brain, distorting the olfactory bulb, which is pushed back and underneath the frontal lobe in certain breeds (like the French bulldog or pug), changing the ratio between the cerebral areas.”

In order to clarify how this change affects dogs’ olfactory and cognitive performance, further imaging and behavioral investigations are needed. The new collection is part of the Canine Brain and Tissue Bank at ELTE, funded by a European Research Council (ERC) grant. The bank will help researchers to link the brain with behaviour. “In some areas, where volume has diminished, neuronal density and the relationship with other brain regions may act to counteract these changes. To further examine these speculations, behavioural testing, diagnostic imaging (like CT, MR or EEG), and histological and molecular assessment will be needed.” - said dr. Enikő Kubinyi, senior researcher at ELTE, principal investigator of the research group.

“One of our primary aims was the widespread dissemination of scientific knowledge.’ - adds dr. Czeibert. “How dog skulls and brains vary is striking. For example, despite the 30-fold difference in body weight between a Neapolitan mastiff and a chihuahua, their endocasts’ volumes have only a 2-fold difference.” The researchers from ELTE plan to increase the number of skulls by digitizing more specimens for microevolutionary studies in the framework of an international cooperation.

Video: https://youtu.be/R7k-b-soVN4

Image captions:

Skull and endocast of a beagle. Video created by dr. Kálmán Czeibert

The skull and endocast of a chihuahua and a Neapolitan mastiff. Image by dr. Kálmán Czeibert

A Neapolitan mastiff and a chihuahua, with their endocasts. Image created by dr. Kálmán Czeibert
Source of the dog photos: Wikimedia Commons

Original study: Czeibert K, Sommese A, Petneházy Ö, Csörgő T and Kubinyi E (2020) Digital Endocasting in Comparative Canine Brain Morphology. Front. Vet. Sci. 7:565315. doi: 10.3389/fvets.2020.565315

Sajtó:

EBológia - Canine Science

2020. október 7.

Látványos 3D-modellek a kutyák agyáról koponyák alapján: Mindössze kétszerese egy megtermett nápolyi masztiff agytérfogata az apró csivaváénak