Модульность пальцев как источник морфологических вариаций формы кисти человека в зависимости от пола

Ermolenko AS. The modularity of the fingers as a source of morphological variations of the human hand's shape depending on sex. Morfologicheskie Vedomosti – Morphological newsletter. 2023;31(2):788. (3).788

Дистальный отдел кисти у человека представлен пятью пальцами, каждый из которых можно рассматривать как модуль, поскольку ключевая роль в их развитии, сегментации и дифференцировке их морфологических образований принадлежит кластерным Hox-генам, кодирующим транскрипционные факторы [8]. В общей структуре кисти пальцы как отдельные модули организованы в преакси-альную (I палец) и постаксиальную (II-V пальцы) группы [9]. Эта генетическая модульность пальцев способствовала эволюции кисти, как реакция на давление отбора с учетом того, что каждый модуль может по-разному реагировать на различное селективное давление [10]. Пальцы характеризуются как сильно интегрированный билатерально симметричный набор ча- стей кисти [11-13]. Однако, у млекопитающих дистальная часть кисти представлена разнообразием форм [14]. Отчасти это связано с локомоцией или адаптацией [15]. У приматов пальцы также высоко интегрированы, однако они демонстрируют высокую степень диспропорции [16]. Сравнительный анализ морфологии пальцев кисти гоминид демонстрирует умеренную интеграцию в пределах постаксиальной группы модулей несмотря на то, что они составляют единое целое [17]. Структура пальцев кисти, в том числе и у человека, унаследована от более древних животных и несмотря на все многообразие имеет единый план строения и состоит из следующих сегментов - проксимальных фаланг (I-V пальцы), средних фаланг (II-V пальцы) и дистальных фаланг (I-V пальцы) [18]. Неоднородность размеров пальцев вдоль продольной оси кисти характеризуется пальцевой формулой, которая у человека, имеет вид III>IV>II>V>I, что является общим и одним из древних признаков высших приматов [19]. Наибольший интерес среди пальцев постаксиальной группы в контексте формы кисти представляет соотношение длин II и IV пальцев, известное как пальцевой индекс (2D:4D ratio), которое определяет морфологический тип кисти [20]. Пальцевой индекс характеризуется половыми, унилатеральными и билатеральными различиями [21-24]. В зависимости от величины пальцевого индекса дистальный профиль кисти определяет анатомические типы последней: 1-й тип (2D>4D) или радиальный (R-тип), 2-й тип (2D=4D) или неопределенный (N-тип) и 3-й тип (2D<4D) или ульнарный (U-тип) [25-26]. Морфогенетическими маркерами развития различных типов кисти могут служить дер-матоглифические узоры пальцев [27]. Неизвестно при этом, являются ли пальцы постаксиальной группы отдельными модульными единицами и насколько выражена ковариация между ними, а также как модульность пальцев может влиять на форму кисти.

Цель исследования - изучить модульность II-V пальцев кисти человека в контексте вариаций типологии ее анатомической формы.

Материалы и методы исследования. Объектом исследования явились цифровые изображения рентгенограмм кистей (прямая проекция, пальцы в положении приведения) 100 человек (50 мужчин и 50 женщин) из системы архивирования и передачи изображений PACS (Picture Archiving and Communication System) отделения лучевой диагностики Ульяновского областного клинического центра специализированных видов медицинской помощи имени Е.М. Чучкалова (г. Ульяновск). Критериями включения в исследование являлись отсутствие нарушения целостности, аномалий развития, деформаций и костно-суставной патоло- гии кисти. Средний возраст мужчин составил 46,3±1,1 года, женщин 49,2±0,9 года. На каждом цифровом изображении рентгенограммы кисти с использованием программного обеспечения tpsDig2 было расположено 16 точек (ориентиров, маркеров, рис. 1). [28]. Описание ориентиров и соответствующих им модулей представлено в таблице 1. Результирующий файл с данными координат ориентиров (*.tps) был импортирован в компьютерную программу MorphoJ 1.07a для дальнейшего морфометрического и статистического анализа [29].

Таблица 1

Порядковый номер и положение ориентиров модулей пальцев кисти

Ориентир	Описание	Модуль
1	Пястно-фаланговый сустав II пальца	II палец
2	Проксимальный межфаланговый сустав II пальца
3	Дистальный межфаланговый сустав II пальца
4	Кончик дистальной фаланги II пальца
5	Пястно-фаланговый сустав III пальца	III палец
6	Проксимальный межфаланговый сустав III пальца
7	Дистальный межфаланговый сустав III пальца
8	Кончик дистальной фаланги III пальца
9	Пястно-фаланговый сустав IV пальца	IV палец
10	Проксимальный межфаланговый сустав IV пальца
11	Дистальный межфаланговый сустав IV пальца
12	Кончик дистальной фаланги IV` пальца
13	Пястно-фаланговый сустав V пальца	V палец
14	Проксимальный межфаланговый сустав V пальца
15	Дистальный межфаланговый сустав V пальца
16	Кончик дистальной фаланги V пальца

Рис. 1. Схема расположения (а) и каркасная схема ориентиров (б) на цифровой

рентгенограмме кисти

Использован геометрический морфометрический анализ для изучения размера и формы кисти [30–32]. Конфигурации двумерных координат (n=100) были подвергнуты обобщенному Прокрустову анализу (Generalized Procrustes analysis, GPA) для устранения эффектов, не связанных с формой (положение, ориентация и масштаб) и оптимального выравнивания конфигурации ориентиров в общем пространстве форм [33-34]. В результате процедуры GPA происходит размещение и масштабирование координат ориентиров всех конфигураций на одной и той же декартовой сетке относительно друг друга с размещением их в максимальной близости друг к другу без изменения общего соот-

ношения ориентиров внутри каждой конфигурации. После GPA были получены прокрустовы расстояния (квадратный корень из суммы квадратов расстояний между ориентирами каждой конфигурации), которые являются мерой пространства форм и переменных размеров или центроидных размеров (сentroid size, CS – квадратный корень из суммы квадратов расстояний между каждым ориентиром и центром тяжести или центроидом каждой конфигурации). Данные координат ориентиров преобразованы в ковариационную матрицу, которая является производной линейного преобразования, для создания набора ортогональных измерений (собственных векторов), используемых в последующих статистических анализах [29].

Для изучения общих различий формы дистального отдела кистей мужчин и женщин и для визуализации различий данных ковариационных матриц использован анализ главных компонентов (Principal Component Analysis, PCA), который описывает изменение или дисперсию каждого набора ориентиров вокруг среднего значения и позволяют исследовать взаимосвязи признаков формы между различными наборами ориентиров. Кроме того, PCA предоставляет информацию о том, какие изменения формы вносят наибольший или наименьший вклад в общую вариативность и какие ориентиры более подвержены вариациям.

Для определения влияния размера на форму (аллометрии) в наборе данных, используя CS в качестве независимой переменной и прокрустовы координаты в качестве зависимых переменных проведена многомерная регрессия [35]. Кроме того, был проведен тест на перестановку с использованием 10000 итераций для оценки значимости влияния CS на форму.

Для оценки силы ковариации между ориентирами каждого отдельного пальца и между пальцами и проверки структурной модульности использован частичный анализ наименьших квадратов (Partial Least Squares, PLS). Этот метод позволяет изучить модели интеграции частей в рамках отдельных конфигураций ориентиров, что позволяет оценить анатомическую или структурную модульность. Этот подход оценивает ковариацию при одновременной подгонке масштаба для всех ориентиров совместно, он учитывает относительные размеры и положения подмножеств, а также ковариацию модулей структуры в целом [1]. PLS основан на разложении по сингулярным значениям ковариационной матрицы между блоками с последующей идентификацией пары осей между двумя конфигурациями ориентиров на которые приходится максимальное количество ковариаций для каждой оси [36]. Для оценки ковариации между наборами ориентиров использован RV-коэффициент, являющийся скалярной мерой силы связи между двумя наборами переменных, который демонстрирует общую величину ассоциации между наборами переменных относительно ковариации внутри наборов переменных. Значения RV близкие к нулю свидетельствуют о низкой ковариации между наборами ориентиров, а значения RV близкие к 1 указывают на большую ковариацию между ними [37].

Результаты исследования и обсуждение. Степень и направление отличий индивидуальных форм дистальных частей кисти, обусловленных II-V пальцами, от усредненной ее конфигурации для каждого из 16 ориентиров после GPA представлены в виде дисперсии (рис. 2).

Рис. 2. Дисперсия наложенных конфигураций ориентиров в пространстве вокруг усредненной конфигурации кисти

Вариации формы дистальной части кисти в многомерном пространстве обусловленные II-V пальцами характеризуются 28 главными компонентами (общая прокрустова дисперсия равна 0,0029704), из которых первые две объясняют 62,5% вариаций форм (PC1 = 42,4%, прокрустова дисперсия 0,00126060; PC2 = 20,1%, прокрустова дисперсия 0,00059774, рис. 3-а). Значения последующих главных компонент были проигнорированы, поскольку они находятся ниже порога случайной вариации, они мало способствовали общей вариации и их соответствующие особенности формы трудны для интерпретации с точки зрения морфологии.

Основные закономерности изменения формы связаны с PC1 и PC2 (рис. 3-в). PC1 описывает радио-ульнарный паттерн, который характеризуется растяжением формы в проксимальном направлении, сопряженным с фалангами II-III пальцев (ориентиры 1-5, 7-8) и в дистальном направлении с фалангами IV-V пальцев (ориентиры 9-16) в случае положительных значений (РС1 + ); растяжением формы в дистальном направлении, сопряженным с фалангами II-III пальцев (ориентиры 1-5, 78); сжатием формы в проксимальном направлении сопряженным с фалангами IIV пальцев (ориентиры 9-13) в случае отрицательных значений (РС1 - ).

Кисти, распределенные в направлении более низких значений PC1, демонстрируют радиальный (R) тип кисти с более вытянутым контуром II-III пальцев и укороченным контуром IV-V пальцев. Кисти с более высокими значениями PC1 демонстрируют ульнарный (U) тип кисти с более вытянутым контуром IV-V пальцев и укороченным контуром II-III пальцев. PC2 описывает паттерн «брахихейрия – доли-хохейрия», который характеризуется изменениями формы, связанными с поперечными и продольными пропорциями кисти.

В случае более низких значений (PC2-) наблюдается одновременное сжатие формы, сопряженное с фалангами II-го (ориентиры 1-4) и V-го (ориентиры 13-16) пальцев, растяжение в дистальном направлении, сопряженное с проксимальными и средними фалангами (ориентиры 1-3, 5-7, 9-11, 13-15), и в дистальном направлении, сопряженное с дистальными фалангами (ориентиры 4, 8, 12, 16) пальцев. Эти кисти характеризуются как вытянутые и узкие. В случае более высоких значений (РС2+) наблюдается одновременное растяжение формы, сопряженное с фалангами II-го (ориентиры 1-4) и V-го (ориентиры 13-16) пальцев, сжатие в дистальном и проксимальном направлении, сопряженное с проксимальными и средними фалангами (ориентиры), и проксимальном направлении, сопряженное с дистальными фалангами пальцев (ориентиры 4, 8, 12, 16). Такие кисти характеризуются как укороченные и широкие.

CS объясняет 7,76 % изменений всей формы дистальной части кисти у мужчин (р≤0,0087) и 6,57 % у женщин (p≤0,0014) соответственно (рис. 4-а). Изменения формы дистальной части кисти, описываемой PC1, объяснено 6,4% случаев кисти мужчин (р≤0,046) и 13,3% случаев кисти у женщин (р≤0,0085) (рис. 4-б). Влияние CS на форму, описываемую PC2, не зависимо от пола статистически недостоверно (p>0,05).

Результаты PLS при парном сравнении блоков ориентиров демонстрируют высокую степень корреляции ними (табл. 2). Для всего набора данных первые две оси PLS (PLS 1 и PLS 2) описывают 88,4% и 3,38% от общего квадрата ковариации кисти у мужчин и 73,41% и 22,91% кисти у женщин, соответственно (рис. 5). Не зависимо от пола изменения формы дистального отдела кисти в большей степени обусловлены положением II-х пальцев (рис. 5-а), в то время как изменения формы, обусловленное положением III-V пальцев (рис. 5, б-г), напротив, оказались более консервативными.

Результаты тестов на модульность для одного подмножества ориентиров демонстрируют более низкие значения коэффициентов RV, которые составили 0,52 для кистей мужчин и 0,49 для кистей женщин, что подтверждает гипотезу о модульности пальцев. Анализ пространственной смежности с наименьшим коэффициентом RV демонстрируют в зависимости от силы ковариации различное разделение подмножества ориентиров конфигураций форм кисти мужчин (подмножество I – ориентиры 1-4; подмножество II – 5, 14-16;

Рис. 3. Диаграммы результатов исследования главных компонент (PC) изменчивости формы кисти . Обозначения: А - диаграмма доли PC объясняющих общую вариацию формы; Б - распределение конфигураций ориентиров вдоль первых двух PC; В - изменение формы в направлении отрицательного (слева) и положительного (справа) экстремумов каждого PC

Centroid Size

Рис. 4. Диаграммы регрессии формы дистальной части кисти в целом по отношению к центроиду CS (а) и формы дистальной части кисти описываемой PC1 (б)

Таблица 2

Попарные ковариации и корреляции между наборами ориентиров для различных пальцев кисти у мужчин и женщин

	Пальцы	RV-коэффициент	Ось	Уникальный размер	Ковариация, %	Корреляция	p=
3 *	II	0,77	PLS1	0,00070312	93,52	0,96	0,012
	III	0,6	PLS1	0,00042579	81,35	0,97	< 0,001
			PLS2	0,00014983	10,072	0,77	< 0,001
	IV	0,66	PLS1	0,00052026	89,23	0,91	< 0,001
			PLS2	0,00014643	7,08	0,75	0,004
	V	0,66	PLS1	0,00057336	89,5	0,89	< 0,001
			PLS2	0,00017062	8	0,85	< 0,001
*	II	0,66	PLS1	0,00055941	69,23	0,92	< 0,001
			PLS2	0,00034775	26,76	0,85	0,012
	III	0,64	PLS1	0,00039598	76,83	0,9	< 0,001
			PLS2	0,00019237	18,14	0,78	< 0,001
	IV	0,58	PLS1	0,00042569	69,36	0,86	< 0,001
			PLS2	0,0002344	21,03	0,85	< 0,001
	V	0,56	PLS1	0,00051087	70,29	0,86	< 0,001
			PLS2	0,00030882	25,69	0,83	< 0,001

Мужчины Женщины

Рис. 5. Диаграммы результатов исследования методом частичного анализа наименьших квадратов (PLS) для пары наборов ориентиров (Block 1 и Block 2 ). Обозначения: Block 1 на рис. 5-а - II палец, на рис. 5-б - III палец, на рис. 5-в - IV палец, на рис. 5-г - V палец; Block 2 -остальные пальцы

Рис. 6. Диаграмма распределения коэффициентов RV (красные стрелки) для смежных разделов ориентиров (верхние панели) пальцев кистей мужчин (6-а) и кистей женщин (6-б)

подмножество III – 6-8, 10; подмножество IV – 9, 11-13) и кисти женщин (подмножество I – ориентиры 1-3, 12; подмножество II – 4, 9-11; подмножество III – 5, 14-16; подмножество IV – 6-8, 13) по сравнению с предполагаемым гипотетическим подмножеством (рис. 6).

Заключение. В настоящем исследовании изучены модульность в интеграция II-V пальцев и их влияние на форму кисти по данным рентгенографии с ис- пользованием метода геометрической морфометрии. Результаты исследования показывают, что пальцы постаксиальной группы являются отдельными модулями с сильной морфологической интеграций, которая вместе с общим сходством пальцев свидетельствуют об общем механизме, лежащим в основе их вариаций в пространстве, который может возникнуть в результате генетического дрейфа, влияющего на форму кисти в целом [38]. Вариа- ции формы кисти, обусловленные модульностью пальцев можно рассматривать как результат диссоциированных локальных процессов развития [1]. Одним из ключевых факторов интеграции и модульности пальцев является аллометрия, в которой изменение формы связано с изменением размера. Однако слабые аллометрические эффекты выявленные в результате настоящего исследования свидетельствуют о изменениях формы кисти обусловленной пространственной ориен- тации пальцев в одном измерении пространства [39]. Выявленные в результате исследования высокие значения корреляций при попарном сравнении модулей и более низкие значения корреляций при множественном сравнении между группой модулей свидетельствуют о различном локальном влиянии морфогенетических факторов в процессе развития на морфологические признаки относительно вариаций эффекта всех факторов на форму кисти у мужчин и женщин [40].