Evolution of Cranial and Endocranial Profiles in Homo Species: a Study in 2D Geometric Morphometrics

Évolution du profil crânien et endocrânien chez les espèces du genre Homo. Une étude par la morphométrie géométrique en deux dimensions

¹ Équipe de paléontologie humaine, UMR 7194, département de préhistoire, Muséum national d'Histoire naturelle, 17, place du Trocadéro, F-75016 Paris, France
² Department of African Zoology, Royal Museum for Central Africa, B-3080 Tervuren, Belgium

^* e-mail : lou.albessard@mnhn.fr

Received: 20 March 2015
Accepted: 22 January 2016

Abstract

Cranial anatomical features play a prominent part in the definition of extinct Homo taxa and in species identification in fossils. Thus, knowledge of cranial morphology considered within its geochronological framework is essential to the understanding of the evolution, chronology, and dispersal of the genus Homo. The brain is also a valuable object of study for research on human evolution, because of features such as its large size and a high encephalization quotient in some Homo species, as well as the complexity of human cognition. However, the joint evolution of endo- and ectocranial anatomies is still little studied, and landmarks representing cerebral anatomy rather than inner cranial bone anatomy are still rarely used. This exploratory piece of research examines endo- and ectocranial profiles in samples representing 3 Homo taxa: Homo sapiens (fossil and recent specimens), Homo erectus, and Homo neanderthalensis. We used 2D geometric morphometrics to analyze the shape of the endo- and ectocranial vaults, as well as the relationships between selected anatomical features such as the extension of lobes and bones. The shapes of the vaults were computed using both fixed landmarks and sliding semi-landmarks. The fixed landmarks used for the endocranium were chosen in order to represent cerebral anatomy, in that they are defined by the imprints left by brain structures on the inner bone surface of the skull, and not by bony structures such as the inferior side of cranial sutures. Among other results, we have shown or confirmed specific features in the shape of the endocranium in Homo sapiens, as well as a few differences in the patterns of interplay between lobes and bones. These data, and any further results obtained with larger samples, may provide new insights into the development of the endocranial anatomical pattern in Homo sapiens and of its variability.

Résumé

Les caractères anatomiques crâniens jouent un rôle important dans la définition des espèces fossiles du genre Homo et dans l'identification taxonomique de spécimens fossiles. Ainsi, la connaissance de la morphologie crânienne, considérée dans son cadre géochronologique, est essentielle à la compréhension de l'évolution, de la chronologie et de la dispersion du genre Homo. Le cerveau est lui aussi un objet précieux pour la recherche sur l'évolution humaine. Des caractéristiques telles que la taille importante du cerveau et le quotient d'encéphalisation particulièrement élevé chez des espèces du genre Homo, ainsi que l'évolution de la cognition complexe humaine, expliquent l'intérêt accordé au cerveau dans les sciences de l'évolution. Cependant, la covariation des morphologies exo- et endocrâniennes et son évolution restent peu étudiées, et l'utilisation pour l'étude de l'endocrâne de points repères liés à l'anatomie cérébrale plutôt qu'à l'anatomie de la table osseuse interne reste rare. La présente étude explore cette problématique au travers de l'examen des profils exo- et endocrâniens dans des échantillons représentant trois espèces du genre Homo : Homo sapiens (spécimens fossiles et récents), Homo erectus et Homo neanderthalensis. Nous avons analysé la forme des voûtes exo- et endocrâniennes, ainsi que les relations entre des caractères anatomiques choisis, par la morphométrie géométrique en deux dimensions. La forme des voûtes a été digitalisée à l'aide de landmarks et de semi-landmarks. Les landmarks utilisés pour l'endocrâne ont été choisis de manière à représenter l'anatomie cérébrale et sont définis grâce aux empreintes causées par les structures anatomiques du cerveau sur la table interne de l'os crânien, et non grâce à des structures osseuses telles que la face inférieure des sutures crâniennes. Nos résultats montrent notamment des spécificités dans la conformation de l'endocrâne chez H. sapiens et de légères différences interspécifiques dans les interactions entre os et lobes. Ces données, ainsi que de futurs résultats sur de plus larges échantillons, pourront offrir de nouvelles perspectives quant au développement des schémas anatomiques de l'endocrâne propres à H. sapiens et de leur variabilité.