Анализ структурной организации фаланг пальцев кисти человека с использованием анатомических сетевых моделей

Несмотря на то, что в настоящее время известны морфогенетические механизмы трансформации пальцев кисти человека в процессе онтогенеза, остается открытым вопрос о том, как они организованы в сложную интегрированную структуру дистального отдела кисти? Этот вопрос остается без ответа по нескольким причинам, в том числе из-за отсутствия консенсуса в отношении концептуальных определений и подходов, а также инструментов для оценки и сравнения вариаций нескольких анатомических частей кисти. Цель исследования – изучить структурную организацию фаланг пальцев кисти человека методом анатомического сетевого анализа (AnNA). Материал и методы. В данном исследовании для AnNA были использованы функции пакета IGRAPH в среде программирования для анализа данных R. Моделирование и компоновка сети выполнены с использованием алгоритма Fruchterman-Reingold. Анализ структуры, а также модульности и интеграции в сетях выполнен с использованием алгоритма spinglass. Для исследования AnNA были использованы рентгеностеометрические показатели длины фаланг I– V пальцев 100 мужчин и 100 женщин среднего возраста без травматических изменений, деформаций и отклонений в развитии. Результаты. AnNA демонстрирует двухуровневую организацию дистального отдела кисти в виде проксимального модуля, включающего проксимальные фаланги и дистального модуля, объединяющего средние и дистальные фаланги. При сравнении характеристик сетевых моделей дистальных отделов кистей было обнаружено, что у женщин организация фаланг пальцев характеризуется более высокой морфологической интеграцией и модульностью (модульность 0,43), чем у мужчин (модульность 0,38). Морфологические модульность и интеграция являются организующими факторами структуры фаланг пальцев дистального отдела кисти у человека. Заключение. Результаты исследования демонстрируют, что структурная организация фаланг пальцев кисти человека представляет собой систему отдельных анатомических модулей фаланг.

1. Ермоленко А.С. Свидетельство РФ о государственной регистрации базы данных №2021622030; 2021.

2. Перепелкин А.И., Краюшкин А.И., Доронин А.Б., и др. Аутоподиум человека (анатомия стопы и кисти). Волгоград: изд-во ВолгГМУ; 2020. 135.

3. Chavez T.J, Morrell N.T. The Evolution of the Human Hand From an Anthropologic Perspective. The Journal of hand surgery. 2022; 47(2):181– 185. DOI: 10.1016/j.jhsa.2021.07.006

4. Conaway M.A., Adams D.C. An effect size for comparing the strength of morphological integration across studies. Evolution. 2022; 76(10):2244– 2259.

5. Conaway M.A., von Cramon-Taubadel N. Morphological integration of the hominoid postcranium. Journal of human evolution. 2022; 171:103239. DOI: 10.1016/j.jhevol.2022.103239

6. Csardi G., Nepusz T. The igraph software package for complex network research. International Journal of complex systems. 2006; 1695(5):1–9. URL: http://www.interjournal.org/manuscript_abstract.php?361100992

7. Diogo R., Esteve-Altava B., Smith C. et al. Anatomical Network Comparison of Human Upper and Lower, Newborn and Adult, and Normal and Abnormal Limbs, with Notes on Development, Pathology and Limb Serial Homology vs Homoplasy. PLoS One. 2015; 10(10):e0140030. DOI: 10.1371/journal.pone.0140030

8. Diogo R., Molnar J.L., Rolian C., Esteve-Altava B. First anatomical network analysis of fore- and hindlimb musculoskeletal modularity in bonobos, common chimpanzees, and humans. Scientific reports. 2018; 8(1):6885. DOI: 10.1038/s41598-018-25262-6

9. Glover J.D., Sudderick Z.R., Shih B.B., et al. The developmental basis of fingerprint pattern formation and variation. Cell. 2023, 186(5):940– 956.e20. DOI: 10.1016/j.cell.2023.01.015

10. Jaworski T., Karpi?ski R., Dobrowolska A. Biomechanics of the upper limb. Journal of Technology and Exploitation in Mechanical Engineering. 2016; 2(1):56–59. DOI: 10.35784/jteme.517

11. Li J., Glover J.D., Zhang H., Peng M, et al. Limb development genes underlie variation in human fingerprint patterns. Cell. 2022; 185(1):95-112.e18. DOI: 10.1016/j.cell.2021.12.008

12. McQueen C., Towers M. Establishing the pattern of the vertebrate limb. Development. 2020; 147(17):dev177956. DOI: 10.1242/dev.177956

13. Patel B.A., Maiolino S.A. Morphological Diversity in the Digital Rays of Primate Hands. In: T. Kivell, P. Lemelin, B. Richmond, D. Schmitt (eds.). The Evolution of the Primate Hand. Developments in Primatology: Progress and Prospects. New York: Springer; 2016: 55–100. DOI: 10.1007/978-1-4939-3646-5_4

14. Petit F., Sears K.E., Ahituv N. Limb development: a paradigm of gene regulation. Nature reviews. Genetics. 2017; 18(4):245–258. DOI: 10.1038/nrg.2016.167

15. Rasskin-Gutman D., Esteve-Altava В. Connecting the dots: anatomical network analysis in morphological EvoDevo. Biological Theory. 2014; 9(2):178–193. DOI: 10.1007/s13752-014-0175-x

16. Saxena A., Cooper K.L. Diversification of the vertebrate limb: sequencing the events. Current opinion in genetics & development. 2021; 69:42–47. DOI: 10.1016/j.gde.2021.02.005

17. Yang Z., Algesheimer R., Tessone C.J. A Comparative Analysis of Community Detection Algorithms on Artificial Networks. Scientific reports. 2016; 6:30750. DOI: 10.1038/srep30750

18. Ziermann J.M., Boughner J.C., Esteve-Altava B., Diogo R. Anatomical comparison across heads, fore- and hindlimbs in mammals using network models. Journal of anatomy. 2021; 239(1):12–31. DOI: 10.1111/joa.13409