Организация сложных анатомических частей тела человека, таких как дистальные сегменты верхних конечностей кисти, – один из аспектов морфологии посткраниального скелета. Кисти – пример анатомических структур, которые в ходе филогенеза достигли функционального совершенства у Homo sapiens, но на удивление консервативны в контексте своего строения на протяжении длительного периода эволюционной истории. Понимание того, как отдельные сегменты формируют сложную архитектуру кисти, является одной из актуальных задач в анатомии человека.
Кисти (autopodium) человека, как и у приматов, состоят из трёх отделов: запястье (basipodium), пясть (metapodium), пальцы (acropodium) [1]. Кости пясти и фаланги соответствующих им пальцев образуют лучи кисти [2]. Несмотря на то, что наблюдается градиент в длине костей лучей, как в продольной так и поперечной оси, обуславливая унилатеральные различия, а также вариации соотносительной длины указательного и безымянного пальцев, определяющих морфологический тип кисти, пястные кости и фаланги пальцев имеют аналогичное строение: у них выделяют основание, тело и головку [3, с. 57].
Сравнение частей анатомических структур – это обширная область статистического анализа, включающая в себя несколько аспектов. В основе любого сравнения лежит концепция сходства (или различия) между объектами, которая играет центральную роль в понимании окружающего мира. Как теоретическая конструкция, сходство распространено повсеместно и имеет широкие последствия в такой области, как категоризация [4]. В исследованиях достаточно часто возникают ситуации, требующие не просто представить, но и дать количественную оценку сходства между двумя элементами или большим набором элементов. Классические методы статистического анализа имеют методологические ограничения в объективной оценке сходства различающихся структур по признакам. Существует большой класс методов, разработанных для визуализации многомерных данных, что позволяет оценить их структуру и другие свойства, в том числе и латентные [5, с. 216].
Один из методов, который может быть использован для визуализации n-мерных данных, является многомерное масштабирование (Multidimensional Scaling, MDS) [6, с. 43]. MDS – это инструмент, который позволяет количественно оценивать суждения о сходстве. Формально MDS относится к набору статистических процедур, используемых для исследовательского анализа данных и уменьшения размерности, где в качестве входных данных используются оценки сходства между группами элементов [7]. Результатом MDS является визуализация, отображающая взаимосвязи между элементами в пространстве, когда похожие элементы расположены близко, а непохожие пропорционально удалены дальше друг от друга, что позволяет сделать вывод об организации признаков в пространстве [8]. Метод MDS ценен тем, что он сводит потенциально сложные наборы данных к основным параметрам, по которым объекты различаются, и тем, что он позволяет визуально оценить существующие взаимосвязи. Кроме того, оценивая расстояние между объектами, можно получить количественную оценку их воспринимаемого сходства относительно других объектов в пространстве [9].
Цель исследования: изучить сходство структурных элементов лучей кисти человека.
Материал и методы исследования. В данной работе использованы результаты морфометрии паспортизированных рентгенограмм кистей 200 человек (100 мужчин и 100 женщин) без костно-травматических изменений, костно-суставной патологии и деформаций из баз данных «Биометрическое описание рентгеноостеометрических признаков пястных костей кисти человека» и «Рентгеноостеометрические характеристики фаланг пальцев кисти человека» [10; 11]. Рентгеноостеометрические параметры включали длину, ширину оснований, тел и головок пястных костей и фаланг I–V пальцев, измеренные в мм (табл.).
Рентгеноостеометрические параметры пястных костей и фаланг пальцев
|
№ |
Параметр |
Описание |
|
1 |
Длина |
Расстояние между центром суставной площадки основания и наиболее удалённой от него точкой на головке фаланги или пястной кости |
|
2 |
Ширина основания |
Расстояние между наиболее удалёнными одна от другой точками на локтевой и лучевой сторонах основания II–V пястных костей и фаланг II–V пальцев |
|
3 |
Ширина тела |
Расстояние между локтевой и лучевой сторонами тел II–V пястных костей, проксимальных и средних фаланг II–V пальцев |
|
4 |
Ширина головки |
Расстояние между наиболее удалёнными одна от другой точками на локтевой и лучевой сторонах головок II–V пястных костей и фаланг II–V пальцев |
Средний возраст мужчин составил 46,3±1,1 года, средний возраст женщин – 49,2±0,9 года (M±м). Статистический анализ, а также оценка и визуализации морфологического сходства между костными элементами лучей кисти проводились с помощью программного обеспечения R версии 4.2.1 с использованием пакета «MDS» [12, с. 361].
Анализ различий между двумя группами показателей выполнен при помощи параметрического критерия Student's t-test [5, с. 438]. Для оценки различий между несколькими группами показателей использован дисперсионный анализ, а в случае выявления достоверных различий между группами, при соответствующих значениях критерия Fisher's F, проводился анализ специфики различий с использованием Bonferroni Post Hoc Test [5, с. 496].
MDS проведён отдельно для рентгеноостеометрических показателей костей лучей кистей мужчин и женщин (мера близости – расстояние Евклида, размерность пространства – 2d). Учитывая количество показателей и меру близости между ними, на первом этапе вычисляется симметричная матрица для определения сходства показателей между собой. Затем при помощи алгоритмов «MDS» рассчитываются относительные координаты для каждого показателя в отдельности путём минимизации функции напряжений на основе итеративных методов сохранения метрики и создаётся конфигурация в многомерном пространстве, которая сохраняет, насколько это возможно, близость между попарными элементами в более высоком n-мерном пространстве и раскрывает базовую структуру данных. Для оценки качества конфигурации рентгеноостеометрических показателей в пространстве использована диаграмма Shepard, как визуализация остатков и выбросов, возникающих в результате применения MDS к данным.
 |
Результаты исследования и их обсуждение. Пястные кости обладают выраженными половыми различиями: кости у мужчин в среднем длиннее на 1,95 мм, ширина оснований - на 1,9 мм, ширина тел - на 1,3 мм, ширина головок - на 2,2 мм больше, чем у женщин (t=2,2–10,48, p<0,05) (рис. 1).
Рис. 1. Рентгеноостеометрические показатели пястных костей
Унилатеральные различия пястных костей характеризуются распределением по показателям длины – II>III>IV>V>I, ширине оснований – II>III=V>IV, ширине тел – II=III>V>IV, ширине головок – II=III>IV>V (F=442,94–1200,24, p<0,05).
Показателям проксимальных фаланг присуща высокая степень половой (фаланги у мужчин в среднем длиннее на 2,5 мм, ширина оснований на 1,6 мм, ширина тел на 1,3 мм, ширина головок на 1,2 мм больше, чем у женщин (t=1,99–22,05, p<0,05)) и межпальцевой изменчивости (унилатеральная изменчивость характеризуется распределением по показателям длины – III>IV>II>V>I, ширине оснований – III>II>IV>V, ширине тел – III>II>IV>V, ширине головок – II=III>V>IV (F=522,4–761,69, p<0,05)) (рис. 2а). Средние фаланги имеют как половые (фаланги у мужчин в среднем длиннее на 1,5 мм, ширина оснований на 1,1 мм, ширина тел на 0,9 мм, ширина головок на 0,2 мм больше, чем у женщин (t=2,41–12,99, p<0,05)), так и межпальцевые особенности (унилатеральная изменчивость характеризуется распределением по показателям длины – III>IV>II>V, ширине оснований – III>II>IV>V, ширине тел – III>II>IV>V, ширине головок – III>II=IV>V (F=117,77÷556, p<0,05)) (рис. 2б). Дистальные фаланги обладают половыми (у мужчин фаланги в среднем длиннее на 1 мм, ширина оснований на 1,3 мм, ширина головок на 0,6 мм больше, чем у
 |
женщин (t=3,83–13,07, p<0,05)) и межпальцевыми различиями (унилатеральная изменчивость характеризуется распределением по показателям длины – III>IV>II>V, ширине оснований – III>II>IV>V, ширине тел – III>II>IV>V, ширине головок – III>II=IV>V (F=4,43–482,41, p<0,05)) (рис. 2в).
Рис. 2. Рентгеноостеометрические показатели проксимальных (а), средних (б) и дистальных (в) фаланг
Инфраструктура сходства между рентгеноостеометрическими показателями элементов лучей кисти отражается в их структуре, организация которой, независимо от пола, демонстрирует градиент в композиционных отношениях между пястными костями и фалангами пальцев в пространстве MDS в виде двух групп: пястные кости/проксимальные фаланги и средние фаланги/дистальные фаланги, при этом средние и дистальные фаланги демонстрируют большее сходство, чем пястные кости и проксимальные фаланги (рис. 3).
Рис. 3.Сходство между показателями сегментов лучей кистей мужчин (а) и женщин (б) в пространстве MDS
Зависимости полученных расстояний (Obtained rank) от исходных расстояний (Target rank) для оптимальной конфигурации рентгеноостеометрических показателей в пространстве MDS представлены на диаграммах Shepard (рис. 4).
Рис. 4. Диаграммы Shepard для кистей мужчин (а) и женщин (б)
Полученные модели конфигураций демонстрируют хорошее качество подгонки в пространстве MDS, о чём свидетельствуют низкие значения напряжения (stress), указывая на лучшее соответствие между данными и их визуализацией (stressмужчины=0,19, stressженщины=0,18, R2=0,32–0,54, p<0,05).
Таким образом, сравнительный анализ демонстрирует различия между рентгеноостеометрическими показателями костей metapodium и acropodium, изменчивость которых, независимо от пола, характеризуется проксимо-дистальным и радио-ульнарным градиентом, что согласуется с данными других авторов [2; 3]. В то же время ограниченные возможности классических статистических методов не позволяют оценить сходство в структуре лучей кисти [5, с. 417]. Метод MDS обеспечивает целостную картину сходства/различий между элементами лучей кисти путём преобразования попарных сравнений между пястными костями и фалангами пальцев в графическое представление, в котором расстояния между объектами являются показателями их сходства [13, с. 3].
Полученные с использованием MDS результаты свидетельствуют, что композиционные отношения между показателями пястных костей и фаланг пальцев являются латентными проявлениями структурной организации лучей кисти в виде анатомических модулей. Феномен структурной организации лучей кисти состоит в последовательном изменении конфигурации пястных костей и фаланг пальцев в пространственно-временном контексте, обуславливая эволюционные преобразования autopodium [14]. Большинство специалистов по эволюционной биологии сходятся во мнении, что более широкое использование орудий труда, чему способствовал переход ранних гоминид к двуногой походке, привело к функциональной адаптации autopodium, обусловленной формированием двух типов захватов: прецизионный и силовой, реализация которых обусловлена многоуровневой организацией autopodium [15].
Заключение. Результаты исследования позволяют предположить, что структурная организация сегментов лучей, независимо от пола, на основе линейных и нелинейных взаимосвязей морфометрических параметров пястных костей и фаланг пальцев обуславливает морфологическую интеграцию кисти человека.