放射光マイクロトモグラフィーを用いた歯の表面と界面の可視化技術を用いて、化石ホモヒトの歯の発生情報にアクセスする

Accessing developmental information of fossil hominin teeth using new synchrotron microtomography-based visualization techniques of dental surfaces and interfaces.

• Adeline Le Cabec
• Nancy Tang
• Paul Tafforeau

抄録

エナメル質のレッツィウス線や歯質のアンドレセン線などの歯の長周期成長線の定量化とストレスパターンの一致（内部強調線と低形成）を用いて、幼生化石ヒト科動物の歯冠形成時期と死亡時年齢を決定した。これらの結果から、生活史の推論に用いられる年表が得られた。放射光バーチャル組織検査は、従来の侵襲的アプローチに代わる非破壊的な方法として実証されている。しかし、化石の歯は保存状態が悪かったり、物理的にアクセスできなかったりするため、増分線（骨周囲や歯周囲帯）の外部表現を観察することができないことがある。ここでは、放射光を用いた仮想組織学と、歯の表面と内部界面の高品質な3次元レンダリングを組み合わせた新しいアプローチを紹介する。このアプローチを17本の永久化石ホモヒトの歯を用いて説明する。外側のエナメル質表面とエナメル質-歯質接合部（EDJ）は、構造的な界面の位相コントラスト縞を捉えることによってセグメント化された。3次元モデルは、Phongのアルゴリズムを用いてレンダリングされ、表面の地形と組織密度の微妙な変化のパターンを強調するために、指向性カラーライトを組み合わせた。このプロセスにより，切除不能歯を含む歯冠表面全体のペリキマタと線状エナメル質低形成が明らかになりました．この方法を用いることで、仮想組織学では不十分な場合でも、EDJでの高度に詳細な応力パターンにより、個人の歯列内の歯を正確に一致させることができるようになりました。我々は、X線マイクロトモグラフィーを用いて十分な分解能で画像化した場合には、歯学的に変化したエナメル質は、特に人工的な骨膜周囲の細分化をもたらす可能性があることを強調している。これは、外部構造と内部構造を並行して注意深く分析することで回避できるが、発生時期の評価を複雑にする可能性がある。我々はさらに、南アフリカのオーストラロピスから採取した2頭の未破裂イヌの新たな歯冠形成時期を発表した。このアプローチは、特に最も困難な症例において、歯の発生情報を最大限に回復させるためのツールを提供するものである。

Quantification of dental long-period growth lines (Retzius lines in enamel and Andresen lines in dentine) and matching of stress patterns (internal accentuated lines and hypoplasias) are used in determining crown formation time and age at death in juvenile fossil hominins. They yield the chronology employed for inferences of life history. Synchrotron virtual histology has been demonstrated as a non-destructive alternative to conventional invasive approaches. Nevertheless, fossil teeth are sometimes poorly preserved or physically inaccessible, preventing observation of the external expression of incremental lines (perikymata and periradicular bands). Here we present a new approach combining synchrotron virtual histology and high quality three-dimensional rendering of dental surfaces and internal interfaces. We illustrate this approach with seventeen permanent fossil hominin teeth. The outer enamel surface and enamel-dentine junction (EDJ) were segmented by capturing the phase contrast fringes at the structural interfaces. Three-dimensional models were rendered with Phong's algorithm, and a combination of directional colored lights to enhance surface topography and the pattern of subtle variations in tissue density. The process reveals perikymata and linear enamel hypoplasias on the entire crown surface, including unerupted teeth. Using this method, highly detailed stress patterns at the EDJ allow precise matching of teeth within an individual's dentition when virtual histology is not sufficient. We highlight that taphonomical altered enamel can in particular cases yield artificial subdivisions of perikymata when imaged using X-ray microtomography with insufficient resolution. This may complicate assessments of developmental time, although this can be circumvented by a careful analysis of external and internal structures in parallel. We further present new crown formation times for two unerupted canines from South African Australopiths, which were found to form over a rather surprisingly long time (> 4.5 years). This approach provides tools for maximizing the recovery of developmental information in teeth, especially in the most difficult cases.