Enhancing paleodemographic analysis of prehistoric populations - a geometric morphometrics approach to Sex Estimation in infants using the auricular surface

Simão, Patrícia Isabel Paulino

http://hdl.handle.net/10400.1/27288

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Dissertação de Mestrado Patrícia Simão.pdf		2.99 MB	Adobe PDF	Download

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Authors

Simão, Patrícia Isabel Paulino

Advisor(s)

Godinho, Ricardo Miguel

Abstract(s)

A estimativa do sexo biológico é um dos parâmetros mais importantes para o estudo dos comportamentos culturais e das dinâmicas das populações do passado. Permite explorar aspetos destas sociedades, tais como a sua demografia e movimentos migratórios, a sua epidemiologia, ou mesmo as suas práticas funerárias. Contudo, e apesar da sua relevância para estes estudos, a estimativa do sexo biológico é dos parâmetros mais difíceis de realizar, particularmente em vestígios esqueléticos incompletos ou fragmentados. Da mesma forma, geralmente não se efetua para indivíduos não adultos, visto que a sua aplicação é considerada como falível antes do desenvolvimento dos caracteres sexuais secundários. Nas últimas duas décadas, diversos estudos investigaram a relação entre o dimorfismo sexual esquelético e as diferenças hormonais entre indivíduos não adultos masculinos e femininos. Após o nascimento, ocorre um pico de produção de testosterona nos indivíduos do sexo masculino, enquanto nos indivíduos femininos ocorre um pico de produção de estradiol. Os níveis destas hormonas permanecem elevados até aos 6 a 9 meses de vida, voltando a aumentar no início da puberdade. Considerando estas investigações, o desenvolvimento de metodologias para estimar o sexo de indivíduos não adultos tem-se multiplicado, sobretudo na última década. Assumem particular relevância os resultados promissores de estudos recentes acerca da morfologia da superfície auricular – região anatómica do ílio que articula com o sacro – e de como esta diverge entre os sexos desde idades muito precoces. É neste âmbito que surge o presente trabalho, que testou o desenvolvimento de um método para estimar o sexo de indivíduos não adultos de contextos arqueológicos, dos 0 aos 6 anos de idade, aplicando Morfometria Geométrica à superfície auricular. O primeiro passo abrangeu o desenvolvimento e a validação da metodologia numa amostra de referência para a qual se sabem o sexo e a idade à morte dos indivíduos. Com esse intuito selecionaram-se 46 ílios (26 masculinos e 20 femininos) pertencentes a indivíduos com menos de 7 anos que fazem parte da Coleção Contemporânea de Esqueletos Identificados do Museu de História Natural de Lisboa (Coleção Luís Lopes). Da seleção excluíram-se os ossos cuja superfície auricular estava fragmentada, incompleta ou mal preservada. Primeiro realizaram-se análises para a amostra total, tendo-se realizado em seguida análises independentes para três grupos etários: < 1 ano, 1,0 a 3,9 anos e 4,0 a 6,9 anos. Recorrendo a métodos da morfometria geométrica, primeiro foi necessário adquirir imagens tridimensionais (3D) de todos os espécimes amostrados. Em seguida procedeu-se à extração das coordenadas cartesianas de pontos anatómicos da superfície auricular previamente selecionados (landmarks e sliding semi-landmarks), de forma a capturar quantitativamente a sua morfologia. Uma vez reunidas as coordenadas, realizaram-se duas análises típicas da morfometria geométrica, a Análise Generalizada de Procrustes (GPA) e a Análise de Componentes Principais (PCA), que foram suplementadas pela visualização das diferenças geométricas através do uso de grelhas de deformação. Por fim foram realizados testes estatísticos (Mann-Whitney e PERMANOVA) para avaliar a significância de diferenças hipotéticas entre os grupos. A análise morfológica realizada à amostra de referência agregada não revelou diferenças entre os sexos no tamanho na superfície auricular. Quando se dividiu a amostra por grupos etários verificaram-se ligeiras diferenças de tamanho entre os sexos, ainda que estatisticamente não significativas. Nos indivíduos menores de um ano a superfície auricular tinha uma dimensão semelhante em ambos os sexos. Os indivíduos femininos com 1,0 a 3,9 anos apresentavam uma superfície auricular maior do que os indivíduos masculinos na mesma faixa etária. Em oposição, no grupo etário dos 4,0 aos 6,9 anos, a superfície auricular tinha maior dimensão em indivíduos masculinos. No que respeita à geometria da superfície auricular, para a amostra total não se verificaram variações de acordo com o sexo. Nas análises específicas para cada grupo etário, constatou-se que a superfície auricular tinha geometrias divergentes em indivíduos masculinos e femininos menores de um ano. Nos restantes intervalos etários verificou-se a quase total sobreposição dos grupos masculino e feminino, indicando a inexistência de diferenças na geometria da superfície auricular entre os sexos. Uma vez que se verificaram diferenças entre os sexos na morfologia da superfície auricular, este método foi então aplicado a uma pequena amostra arqueológica de oito indivíduos imaturos. Estes pertencem à Coleção Antropológica do Museu Geológico de Portugal e provém dos concheiros Mesolíticos de Muge. Foram selecionados somente os ílios que tinham a superfície auricular completa e bem preservada. Visto que a técnica desenvolvida tem como pré-requisito a estimativa da idade à morte, este parâmetro foi previamente realizado através do comprimento máximo do ilíaco. Contudo, a fragmentação de alguns ossos impediu a aplicação deste método. Em alternativa realizou-se a estimativa da idade à morte com base no tamanho do centroide, comparando os valores dos indivíduos arqueológicos com os dados da amostra de referência. Assim, verificou-se a presença de cinco indivíduos menores de um ano e de três indivíduos entre os 1,0 e os 3,9 anos. A estimativa do sexo dos indivíduos arqueológicos efetuou-se com base nas análises específicas para os grupos etários. Dos cinco indivíduos com menos de um ano, somente um estava incluído no grupo feminino. Dos outros quatro indivíduos, um estava mais próximo do grupo feminino, pelo que foi considerado como um possível indivíduo feminino. Os restantes três indivíduos encontravam-se mais próximos do grupo masculino, tendo sido classificados como prováveis indivíduos masculinos. Colocou-se, então, a hipótese de que, dos cinco indivíduos arqueológicos neste intervalo etário, dois possivelmente são femininos (2/5; 40,00%) e os restantes três são, muito possivelmente, indivíduos masculinos (3/5; 60,00%). Ainda que os resultados da amostra de referência não tenham revelado diferenças significativas entre os indivíduos masculinos e femininos dos 1,0 aos 3,9 anos, optou-se por também se tentar estimar o sexo dos indivíduos arqueológicos deste grupo etário. Os resultados foram inconclusivos devido à elevada sobreposição entre os grupos de referência masculino e feminino. Um dos indivíduos arqueológicos encontrava-se incluído no grupo masculino. Quanto aos dois restantes indivíduos, ainda que estivessem próximos do grupo de referência masculino, não foi possível classificá-los categoricamente como tal. Como a maioria dos indivíduos arqueológicos menores de um ano se encontra fora do morfo-espaço dos grupos de referência, os resultados da estimativa do sexo não puderam considerar-se como definitivos. Desta forma, não foi possível explorar, por exemplo, a demografia e proporção sexual da população subadulta exumada dos concheiros de Muge ou a existência de hipotéticas diferenças nas práticas funerárias relacionadas com o sexo. Os resultados do presente estudo sugerem não só a presença de dimorfismo sexual na superfície auricular em idades muito precoces, mas também que o seu sinal biológico pode ser utilizado para estimar o sexo. No entanto, em indivíduos com idades superiores a um ano, a morfologia da superfície auricular é semelhante para indivíduos masculinos e femininos, sugerindo que o sinal biológico que reflete o dimorfismo sexual se esbate. O pico hormonal neonatal pode estar na origem destes resultados. Por outro lado, a redução das diferenças morfológicas ao nível da superfície auricular observadas em indivíduos masculinos e femininos com mais de um ano poderá ser explicada pela influência das forças biomecânicas associadas à locomoção bípede. A interpretação destes resultados promissores deve realizar-se cautelosamente. Ainda que a amostra de referência utilizada neste estudo seja uma das maiores em qualquer estudo comparável, o seu reduzido tamanho por grupo etário limita as conclusões. Adicionalmente, e ainda que a aplicação da metodologia desenvolvida à amostra arqueológica tenha tido algum sucesso, é necessário averiguar o seu desempenho noutras amostras populacionais. Apesar de os resultados não serem exatamente os mesmos em ambas as amostras analisadas (de referência e arqueológica), possivelmente devido à variação interpopulacional no dimorfismo sexual, existem evidências de que este método pode utilizar-se para estimar o sexo em populações distintas. Finalmente, deve também referir-se que foi avaliada somente uma região anatómica nos ílios, a superfície auricular. Estudos prévios demonstraram que há outras características fiáveis para a estimativa do sexo, como a chanfradura ciática. A inclusão desta zona do ílio poderia aumentar a discriminação sexual em todos os grupos etários. Outro aspeto a considerar em estudos futuros é a aplicação de técnicas de Inteligência Artificial, como Deep learning ou Machine learning, uma vez que estudos recentes que aplicaram estas técnicas à estimativa do sexo obtiveram resultados promissores Concluindo, este estudo demonstrou o potencial da Morfometria Geométrica na estimativa do sexo de subadultos provenientes de contextos arqueológicos. Também mostrou que a superfície auricular pode ser um indicador fiável na estimativa do sexo em indivíduos menores de um ano. Estes resultados devem explorar-se e investigações futuras devem incluir a análise de outras características do ilío, uma amostra de maiores dimensões para testar diferenças interpopulacionais, testes de validação e testes de aplicação noutras amostras arqueológicas e, eventualmente, a utilização de técnicas de Inteligência Artificial.

Estimating biological sex is an essential tool for studying the dynamics and cultural behaviour of past populations. However, it is not usually performed on non-adult individuals before the onset of puberty, which limits the knowledge that can be gained from immature archaeological skeletal remains. Bearing this in mind, this thesis aimed to develop a three-dimensional Geometric Morphometrics technique to estimate the biological sex of infants aged 0-6 years using the auricular surface – the anatomical region of the ilium that articulates with the sacrum. First, the method was tested and validated in a contemporary sample of 46 individuals (20 females and 26 males) from the Luis Lopes Skeletal Collection (Lisbon). Sex-related morphological differences in the auricular surface were noted in infants under one year, but not in older individuals. The same methodology was then applied to eight infants from two Mesolithic shellmiddens, Cabeço da Arruda and Moita do Sebastião (Muge). Although the results are not conclusive, it was possible to perform sex estimation for individuals under one year. It is tentatively suggested that of the five archaeological infants under one year, two are probably females (2/5; 40.00%) and the remaining three are possibly males (3/5; 60.00%). This study demonstrates the potential of using 3D GM for sex estimation in archaeological non-adult skeletal remains. It also shows that the auricular surface is a reliable sex indicator in infants under one year of age. In individuals over one year of age, the biological signal reflecting sexual dimorphism appears to fade. These findings should be investigated in more detail and further studies should include the analysis of other iliac features, a larger sample integrating other populations to examine if there are inter-population differences, cross-validation and cross-application testing, and eventually the use of AI techniques.