TRABAJOS ORIGINALES

Matrices funcionales e integración morfológica. Un estudio ontogénico de la bóveda y el maxilar

 

Jimena Barbeito-Andrés^*, Marina L. Sardi, Marisol Anzelmo y Héctor M. Pucciarelli

División Antropología. Museo de La Plata. Facultad de Ciencias Naturales y Museo. Universidad Nacional de La Plata. Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). Buenos Aires. Argentina

Financiamiento: Proyecto de Incentivos N531. Universidad Nacional de La Plata.

*Correspondencia a: Jimena Barbeito-Andrés. División Antropología. Museo de La Plata. Paseo del Bosque s/n. B1900ASV La Plata, Argentina. E-mail: barbeito@fcnym. unlp.edu.ar

Recibido: 07 Septiembre 2011
Aceptado: 05 Marzo 2012

 

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Resumen

Los estudios ontogénicos permiten conocer cómo se generan las diferencias morfológicas que encontramos en adultos. Éstas resultan de la asociación diferencial entre rasgos morfológicos, lo que puede deberse tanto a factores del desarrollo como funcionales. De acuerdo a la hipótesis funcional, los cambios en las estructuras óseas son consecuencia de la influencia de tejidos blandos, cavidades y órganos (matriz funcional). En este trabajo se analizaron dos estructuras craneofaciales: la bóveda, formada por varios huesos y una matriz funcional homogénea y el maxilar, un hueso único afectado por diversas matrices, para poner a prueba la hipótesis que postula que durante la ontogenia cambian los patrones de covariación. Se relevaron puntos craneofaciales sobre 267 cráneos de adultos y subadultos, se aplicó Análisis de Componentes Principales para establecer la variación en forma a lo largo de la ontogenia y se realizó un análisis de correlación entre las matrices de covarianza de las sucesivas edades para evaluar el cambio en los patrones de integración morfológica. Los resultados indicaron que mientras en la bóveda los patrones de covariación no cambian durante la ontogenia, esto sí ocurre en el maxilar. Los patrones de covariación de estas estructuras se comportarían en relación a la cantidad y características de las matrices asociadas.

Palabras clave: Desarrollo Craneofacial; Covariación; Morfometría

Abstract

Ontogenetic studies help to understand how those morphological differences found among adults arise. These are the result of differential association among morphological traits, which can be due to developmental as well as functional factors. According to the functional paradigm, change in bone structures is the result of the influence of associated soft tissue, cavities and organs (functional matrix). In this work, two craneofacial structures were analysed: the vault, composed by several bones and a homogeneous functional matrix, and the maxilla, a single bone affected by diverse matrices. The hypothesis that indicates that along ontogeny covariation patterns change was tested. Landmarks were registered on 267 adult and subadult skulls. Principal Components Analysis was applied in order to assess shape variation along ontogeny. To examine ontogenetic change in the morphological integration pattern, a correlation analysis between the successive covariation matrices was carried out. The results indicate that while in the vault there are not ontogenic differences in covariation patterns, these patterns change in the maxilla. Covariation patterns in these structures would behave according to the number and characteristics of associated matrices.

Key words: Craniofacial development; Covariation; Morphometrics

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En las últimas décadas se ha producido un renovado énfasis en el estudio de la ontogenia de distintos organismos. Las nuevas preguntas apuntan a conocer cómo se generan las diferencias morfológicas que encontramos en adultos y cómo ciertos cambios en la ontogenia contribuyen a la variación entre y dentro de poblaciones y especies relacionadas (Richtsmeier et al., 1993; Ackermann y Krovitz, 2002; Viðarsdóttir et al., 2002; Buschang y Hinton, 2005). A fin de conocer el modo en que los rasgos fenotípicos varían, es útil abordar cómo éstos se asocian a lo largo del desarrollo. Se acepta que distintos rasgos covarían porque tienen un origen embriológico común o porque intervienen en una función similar (Cheverud, 1996).
Respecto del desarrollo craneofacial, sabemos que hacia la década del sesenta Moss y Young formularon el paradigma funcional que otorgó bases para comprender cuáles son los procesos que producen determinados patrones de covariación. Tomando los conceptos previamente desarrollados por van der Klaauw (1948- 52), Moss y Young (1960) propusieron que la forma del esqueleto craneano está influenciada por matrices funcionales. Así, el cráneo puede ser visto como compuesto por diversos componentes funcionales, cada uno integrado por una matriz funcional que incluye todos los tejidos blandos, cavidades y órganos implicados en el desempeño de una función y por una unidad esqueletaria que comprende los tejidos óseos, tendones y ligamentos que dan soporte biomecánico a la matriz. Según la hipótesis de la matriz funcional, el crecimiento de la unidad esqueletaria no está dado por factores genéticos propios del hueso sino que resulta de la influencia epigenética que ejerce la matriz sobre el esqueleto (Moss, 1973). En este sentido, ya que los cambios en las matrices funcionales controlarían la morfogénesis esqueletaria, al evaluar cambios en la forma de la unidad esqueletaria, es posible realizar inferencias sobre el rol de tales matrices en este proceso. Con este modelo, se otorga énfasis a la plasticidad durante el crecimiento y desarrollo craneofacial, a la interacción epigenética entre factores intrínsecos y extrínsecos de las matrices y a la comprensión de que el cráneo está conformado por componentes que varían con relativa independencia entre sí.
La variación en la morfología ósea puede depender de múltiples factores. Un hueso puede constituir una unidad esqueletaria en relación a distintas matrices, participando así de varios componentes funcionales. O bien puede, junto con otros huesos, constituir parte de la unidad esqueletaria relacionada a un mismo conjunto de matrices y ser por lo tanto, parte de un solo componente funcional (Moss y Young, 1960; Moss, 1997). En el cráneo mamífero, es posible reconocer estos comportamientos: por ejemplo, los de la bóveda y el maxilar.
La bóveda tiene como principal función el alojamiento y protección del encéfalo. Es parte del neurocráneo y está integrada por los huesos frontal y parietal, así como por parte del temporal y del occipital que se integraron en momentos diferentes a lo largo de la filogenia (Morris- Kay, 2001).
El origen tisular de la bóveda es dual ya que se forma a partir de células derivadas de la cresta neural así como del mesodermo (Morris-Kay, 2001; Jiang et al., 2002). Además, la osificación de estos elementos también puede ser considerada mixta. En su mayor parte, los huesos de la bóveda aparecen prenatalmente como condensaciones mesenquimáticas que se mineralizan y expanden por deposición radial, alrededor de los bordes de las condensaciones (Opperman et al., 2005). Hacia el fin de la gestación, se aproximan y se forman las suturas. Para que funcionen como sitios de crecimiento intramembranoso, las suturas deben permanecer sin osificar. Esto se logra produciendo nuevas células óseas, a través de factores de crecimiento, en interacción con la duramadre (Opperman, 2000; Opperman et al., 2005); es decir, en ausencia de duramadre, la sutura se oblitera y finaliza el crecimiento. Dado que las suturas no tienen potencial de crecimiento intrínseco (Hall, 2005; Opperman et al., 2005), se producen nuevas células en respuesta a estímulos externos. Es el encéfalo en crecimiento quien envía señales a la duramadre (Cohen, 2000) y por lo tanto, constituye la matriz funcional más importante de la bóveda (Enlow y Hans, 1998; Lieberman, 2011). La región supraoccipital en cambio, se desarrolla a partir de dos centros, el cartílago supraoccipital de osificación endocrondral y el segmento intermedio que, como el resto de la bóveda, es membranoso (Srivastava, 1992).
Otros cambios en la bóveda se dan por reabsorción y depósito de hueso en las superficies interna y externa, respectivamente. En este sentido, la acción de músculos masticatorios y nucales, cuyas inserciones se localizan en la superficie externa de la bóveda, ha sido asociada a cambios morfológicos óseos en diversas regiones del cráneo (Sardi y Ramírez Rozzi, 2005; Sardi et al., 2006). Incluso se ha demostrado experimentalmente que la intensidad de las fuerzas que aplican estos músculos sobre el hueso se relaciona con los niveles de osificación (Beecher y Corruccini, 1981; Mavropoulos et al., 2004).
El maxilar, a diferencia de la bóveda, es un hueso único influido por múltiples matrices. Constituye el piso de la órbita, por lo que se relaciona con el globo ocular, cuya trayectoria de crecimiento es similar a la del encéfalo, caracterizada por un marcado aceleramiento prenatal y un temprano desaceleramiento en la vida postnatal, a partir aproximadamente de los 3-5 años de edad (Buschang y Hinton, 2005). En la región media de la cara, el maxilar se relaciona con las vías aéreas e incluye a los senos paranasales, que presentan cambios ontogénicos hasta por lo menos, la etapa puberal. En la región lateral del maxilar puede tener -o se encuentran muy próximos- sitios de inserción de algunos músculos vinculados a la función masticatoria. Por último, el maxilar forma la mayor parte del paladar duro y el arco alveolar y está influido por los dientes cuya maduración y movimiento afectan la morfología del hueso hasta la adultez (Humphrey, 1998; Sperber, 2001; Sardi y Ramírez Rozzi, 2005). Como ocurre en la bóveda, el crecimiento del maxilar, se da principalmente por expansión en las suturas (Opperman, 2000) que son muy similares en morfología y función a las de la bóveda (Opperman et al., 2005). El cartílago de la cápsula nasal, secreta factores de crecimiento en relación a fuerzas extrínsecas, cumpliendo una función similar a la de la duramadre en mantener las suturas faciales como sitios de crecimiento (Adab et al., 2003; Opperman et al., 2005).
Si hay matrices funcionales heterogéneas en relación a un hueso, es posible pensar que distintas partes del mismo se comportarán de modo relativamente independiente, lo cual tendrá influencia en su integración morfológica. La relación entre variación en forma e integración morfológica, radica en que la integración puede entenderse como una propiedad de los sistemas del desarrollo, dada por un conjunto de interacciones potenciales entre componentes que, en presencia de variación, produce una determinada estructura de covariación (Hallgrímsson et al., 2009). En otras palabras, en ausencia de variación, la manera en que los rasgos se encuentran asociados no se pondría de manifiesto. Así, la evaluación de la variación y covariación de rasgos fenotípicos, constituye una vía para evaluar la integración morfológica de los organismos (Ackermann y Cheverud, 2000; González-José et al., 2004; Hallgrímsson et al., 2009). Si la covariación entre los rasgos de una estructura no cambia a lo largo de la ontogenia, es posible pensar que los factores integradores de la forma tienen un efecto constante durante el crecimiento.
El objetivo de este trabajo es analizar las modificaciones en la forma de la bóveda y el maxilar para examinar la siguiente hipótesis: durante la ontogenia cambian los patrones de covariación de ambas estructuras. Asumiendo que la variación de las matrices funcionales interviene en los cambios de forma y de la integración morfológica de sus unidades esqueletarias, es esperable que el maxilar presente más cambios en su patrón de integración que la bóveda, por la heterogeneidad de las matrices asociadas.

Material y métodos

Muestra

La muestra utilizada, compuesta por 267 cráneos humanos de adultos y subadultos europeos, fue dividida en submuestras de diferentes edades para establecer las características de la variación y covariación en momentos sucesivos del desarrollo. Se eligieron las edades de 0, 2, 7, 12, 15, 18 y más de 20 años porque contaban con la mejor representación muestral (Tabla 1). El segmento de la muestra correspondiente al primer año de vida, está compuesto por cráneos disecados que se encuentran depositados en el Musée de l'Homme (París, Francia). Su edad fue estimada por Guihard-Costa (1988) y presentan entre 40 y 47 semanas de edad gestacional. Las etapas posteriores están representadas por cráneos de las colecciones del Museo Antropológico de Coimbra (Portugal) y proceden de exhumaciones de individuos de cementerios, cuya muerte se produjo entre fines del siglo XIX y principios del siglo XX. La edad de muerte de cada individuo se conoce a partir de los registros de cementerio (Wasterlain et al., 2011).

Tabla 1. Composición de la muestra

La conformación de una muestra que incluye cráneos de estas dos colecciones distintas, tal como fuera hecho en estudios previos (Sardi y Ramírez Rozzi, 2007; Barbeito-Andrés et al., 2010) se encuentra justificada en tanto ambas respetan un mismo contexto geográfico y temporal general y la diferenciación interpoblacional durante los primeros años de vida es muy baja (Sardi, en prensa). Hasta los 12 años de edad, los individuos no se diferencian por sexo debido al bajo número de casos de cada submuestra.

Método craneométrico y análisis estadístico

Se relevaron landmarks (puntos craneométricos) en tres dimensiones que describen la bóveda y el maxilar utilizando Microscribe (Tabla 2). Mediante Análisis Generalizado de Procrustes, se obtuvieron coordenadas de forma (shape) de cada estructura. En este contexto, la forma es entendida como la información geométrica que persiste una vez que se eliminan los efectos de escala, rotación y posición (Rohlf y Slice, 1990). En las categorías etáreas de 15, 18 y 20 años se determinó el sexo de los individuos (Buikstra y Ubelaker, 1994) y el tratamiento estadístico se realizó por separado.

Tabla 2. Landmarks de la bóveda y el maxilar

Para establecer la variación en forma a lo largo del crecimiento, se aplicó Análisis de Componentes Principales (CP) sobre las coordenadas de forma de cada región. El cambio ontogénico de los patrones de integración morfológica, se evaluó mediante un análisis de correlación entre las matrices de covarianza de cada una de las etapas y la siguiente. Se asume que si las matrices se encuentran correlacionadas, el patrón de covariación es similar en ambas (Cheverud et al., 1989; Ackermann, 2005; Porto et al., 2009). La significación de estas correlaciones fue estimada mediante un test de Mantel a partir de 1000 permutaciones al azar (Cheverud y Marroig, 2001; Gonzalez et al., 2011). El tratamiento estadístico de los datos morfométricos fue hecho utilizando MorphoJ (Klingenberg, 2011) y R 2.8.0 (R Development Core Team, 2008).

Resultados

Análisis de Componentes Principales

Para la bóveda, los primeros cinco CPs explicaron más del 80% de la variación total. Solo los dos primeros CPs mostraron una correlación significativa con la edad (CP1=-0,84; CP2=-0,33, p<0,01). De acuerdo con el CP1 la mayor variación de forma ocurre entre los 0 y 2 años y los 2 y 7 años. Entre los cambios morfológicos más destacables se encuentra el de la posición del vértex que, al aumentar la edad, se acerca relativamente más al lambda a la vez que se distancia del bregma. Asimismo, la inserción del músculo temporal, descrita por el estefanion, es más alta en adultos en relación al pterion (Fig. 1).

Fig. 1. Bóveda. Arriba: CP1 vs CP2, se distinguen los grupos etáreos y se indica la morfología que caracteriza a cada extremo de los componentes. Abajo: CP1 y CP2 vs edad. Porcentaje de varianza explicada CP1=46,21 y CP2=21,90.

Para el maxilar, más del 80% de la variación fue resumida en los primeros ocho CPs. Solo el CP1 mostró una correlación significativa con la edad (CP1=-0,654, p<0,01). Es posible visualizar diferencias de forma entre los 0 y 2 años y los 2 y 7 años. Los individuos de menor edad muestran un maxilar más alargado anteroposteriormente, siendo la morfología adulta más alta. La región alveolar experimenta también un cambio notable, ya que el paladar aumenta su profundidad durante la ontogenia (Fig. 2).

Fig. 2. Maxilar. Arriba: CP1 vs CP2, se distinguen los grupos etáreos y se indica la morfología que caracteriza a cada extremo de los componentes. Abajo: CP1 y CP2 vs edad. Porcentaje de varianza explicada CP1=41,45 y CP2=10,95.

Mientras que las matrices de covarianza de la bóveda fueron similares a lo largo de toda la ontogenia, en el maxilar se produjo un cambio significativo en la estructura de estas matrices entre los 2 y los 7 años (Tabla 3). Es de destacar que mientras que en la bóveda, los coeficientes de correlación entre matrices aumentan progresivamente a medida que avanza la edad, en el maxilar no se evidencia tal tendencia y los valores de correlación altamente significativos se mantienen relativamente constantes.

Tabla 3. Coeficientes de correlación entre matrices de edades sucesivas evaluados con nivel de significación de p ≥0,05(*), p ≥0,01(**)

Discusión y conclusiones

Los resultados de este trabajo indicaron que tanto en la bóveda como en el maxilar se producen cambios morfológicos durante la ontogenia postnatal. Sin embargo, las etapas en las que se registran estos cambios no son coincidentes. En la bóveda, los cambios más importantes ocurren de 0 a 2 años y de 2 a 7 años, luego de lo cual solo se registran variaciones de forma menores (Fig. 1). Esto se corresponde con el patrón de crecimiento que se ha descrito para el neurocráneo, que hacia los 10 años ha alcanzado prácticamente su configuración final (Sperber, 2001). En la Figura 1 puede observarse que en los individuos adultos, la línea temporal se eleva relativamente, lo que puede relacionarse con la influencia del músculo temporal en desarrollo (Scott, 1957; Schmitt et al., 2008).
El maxilar muestra cambios en la forma hasta etapas más tardías que la bóveda (Fig. 2), lo cual puede explicarse teniendo en cuenta el crecimiento de los diversos tejidos y órganos asociados. En general, el crecimiento del maxilar ha sido caracterizado por una prolongación coordinada en sentido anterior e inferior, aunque son muchos los sitios de depositación y reabsorción de este hueso, lo cual le otorga un carácter regionalizado y complejo a sus cambios ontogénicos (Enlow y Bang, 1965; Alió-Sanz et al., 2011).
Si bien se registraron cambios de forma en las dos estructuras bajo estudio, mientras que en la bóveda estos cambios no se relacionan con diferencias en los patrones de covariación, en el maxilar los hay entre los 2 y los 7 años.
Por lo tanto, la hipótesis propuesta que indica que durante la ontogenia los patrones de covariación cambian, es rechazada para la bóveda pero no pudo ser rechazada para el maxilar. Sin embargo, los resultados coinciden con las expectativas, dado que las menores correlaciones (0,315 en la bóveda y 0,154 en el maxilar) pueden asociarse a las etapas de mayor cambio de forma (Figs. 1, 2), así como a los cambios más importantes en las matrices funcionales (Enlow y Hans, 1998).
La covariación entre rasgos es modificada porque los procesos de desarrollo afectan diferencialmente a los distintos aspectos del fenotipo (Hallgrímsson, 2007). Es decir que la covariación surge cuando las fuentes genéticas o ambientales de variación, afectan a algunas estructuras y no a otras. Los resultados de este estudio sugieren que cuando la matriz funcional que regula el crecimiento es relativamente homogénea, como en el caso de la bóveda, el patrón de covariación se mantiene constante aún cuando la unidad esquelética en cuestión está dada por varios huesos y cuando estos huesos muestran un crecimiento diferencial. En cambio, cuando la matriz funcional está integrada por órganos y cavidades diferentes, como ocurre en el maxilar, el desarrollo de cada una de estas estructuras influencia en forma diferencial a los rasgos óseos en momentos particulares de la ontogenia y esto lleva a que el patrón de covariación cambie mientras los componentes de la matriz funcional están en crecimiento. Esto se evidencia en la tendencia progresiva de mayor similitud a edades crecientes de los patrones de integración de la bóveda y la ausencia de tal aumento en el maxilar (Tabla 3).
Las edades de 2 y 7 años, entre las que se encontraron diferencias en los patrones de covariación en el maxilar, se caracterizan por importantes cambios en la región alveolar como resultado de la erupción dentaria que comienza hacia el octavo mes de vida y termina hacia el mes 29. Luego de eso, permanece quiescente durante 4 años y entre los 6 y los 8 años de vida, todos los incisivos deciduos se pierden y erupcionan los primeros molares y los incisivos permanentes (Sperber, 2001). En este sentido, Sardi y Ramírez Rozzi (2007) observaron que existe un cambio en las trayectorias de crecimiento craneano luego de la emergencia de los primeros molares. Esto a su vez se relaciona con requerimientos masticatorios diferentes, ya que la emergencia de los primeros molares permite el consumo de una dieta de tipo adulta (Bogin, 1999).
De acuerdo con Chernoff y Magwene (1999), los estudios ontogénicos de integración deben abordarse en un marco de hipótesis jerárquicas, ya que los conjuntos de rasgos morfológicos covarían en forma anidada, debido a causas funcionales o del desarrollo de diferente alcance. Mientras que ciertos agentes, tales como el cambio ontogénico de tamaño, afectarían incluso a rasgos morfológicos poco relacionados, otros factores actuarían a un nivel menos inclusivo. Se ha sugerido que la integración morfológica estaría organizada jerárquicamente en las distintas regiones del cráneo humano (Bastir y Rosas, 2005) lo cual podría relacionarse a la secuencia temporal de desarrollo de las diferentes estructuras. En esta misma línea, Mitteroecker y Bookstein (2008) propusieron un modelo que distingue entre factores comunes y locales que afectan diferencialmente la integración de las variables fenotípicas. Mientras que los factores locales contribuyen a la variación morfológica solamente dentro de un subconjunto de variables, las cuales pueden ser consideradas un módulo, los factores comunes o globales influyen sobre rasgos de diferentes módulos. Así, el crecimiento en tamaño del cerebro, que ha sido propuesto como el principal determinante de la morfología de la bóveda (Delattre, 1951; Moss y Young, 1960; Sirianni, 1985), afectaría de manera general a esta estructura. Por otro lado, en el maxilar, las distintas matrices funcionales pueden ser consideradas como factores locales que afectan el crecimiento de una parte determinada del cráneo. Los cambios en la estructura de la matriz de covariación resultarían de la trayectoria de crecimiento particular de cada una de las matrices funcionales que afectan diferencialmente a los rasgos de este hueso. En particular, los cambios en los tejidos y órganos vinculados a la función masticatoria se relacionaron con diferencias en los patrones de covariación. Esto se corresponde con lo descrito por Ackermann (2005) quien encontró que hay una fuerte conexión entre aquellos rasgos esqueletarios que están involucrados directamente con la masticación y concluyó que los procesos ontogénicos y funcionales asociados a la masticación tienen un rol preponderante en la integración morfológica craneofacial.
Otros modelos alternativos que permitirían explicar el patrón observado constituyen un complemento al marco funcional en el que se encuadra este trabajo. La ausencia de cambios en los patrones de covariación en la bóveda, así como su creciente grado de asociación, podría interpretarse como consecuencia del rol de la base craneana. Ésta se expande por osificación en las sincondrosis, que tienen potencial intrínseco de crecimiento. Provee el espacio para el cerebro y puede continuar su expansión aún cuando éste cesó su crecimiento (Opperman et al., 2005). Se ha sugerido que la base presenta un rol integrador de la morfología craneana, por su interacción directa con el cerebro que, a su vez, se relaciona directamente con la bóveda. El rol de la base craneana, en términos de integración con otras estructuras, debe ser entendido en función de su posición dentro del cráneo (Lieberman et al., 2000, 2008). Tomando el modelo de Enlow y Hans (1998), la relación entre elementos craneofaciales está estructurada por una serie de niveles cuyo crecimiento y desarrollo depende de la interacción con los niveles adyacentes.
En conclusión, el patrón de covariaciónv entre rasgos de la bóveda y el maxilar, muestrav distinto comportamiento a lo largo de lav ontogenia. Ambas estructuras, de diferentev composición en cuanto al número de huesosv intervinientes, se comportarían en relación a lav cantidad y características de las matrices asociadas.v Estos resultados ponen de relevancia lav aproximación funcional para comprender losv mecanismos responsables de la variación observadav y por lo tanto, dicho enfoque constituyev un marco teórico que debe ser consideradov en los estudios de crecimiento e integraciónv craneofacial.

Agradecimientos

Agradecemos a Phillipe Mennecier, Eugenia Cunha y Sofia Wasterlain por brindarnos el acceso a las colecciones a su cargo; a los revisores anónimos, cuyas observaciones contribuyeron a mejorar este trabajo.

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