Prenatal development of skull and brain in a mouse model of growth restriction

Patterns of covariation result from the over-lapping effect of several developmental processes. By perturbing certain specific developmental processes, ex-perimental studies contribute to a better understanding of their particular effects on the generation of phenotype. The aim of this work was to analyze the interactions among morphological traits of the skull and the brain during late prenatal life (18.5 days postconception) in mice exposed to maternal protein undernutrition. Images from the skull and brain were obtained through micro-computed tomography and 3D landmark coordinates were digitized in order to quantify shape and size of both structures with geometric morphometric techniques. The results highlight a systemic effect of protein restriction on the size of the skull and the brain, which were both significantly reduced in the under-nourished group compared to control group. Skull shape is partially explained by brain size, and patterns of shape variation were only partially coincident with previous re-ports for other ontogenetic stages, suggesting that allomet-ric trajectories across pre- and postnatal ages change their directions. Within the skull, neurocranial and facial shape traits covaried strongly, while subtle covariation was found between the shape of the skull and the brain. These find-ings are in line with former studies in mutant mice and reveal the importance of carrying out analyses of pheno-typic variation in a broad range of developmental stages. The present study contributes to the basic understanding of epigenetic relations among growing tissues and has di-rect implications for the field of paleoanthropology, where inferences about brain morphology are usually derived from skull remains.Los patrones de covariación entre rasgos fenotí-picos resultan de la acción de diversos procesos que se sola-pan durante el desarrollo. Los estudios experimentales cons-tituyen la aproximación más adecuada para evaluar el efecto de procesos específicos en la generación de tales patrones. El objetivo de este trabajo es analizar las interacciones entre rasgos morfológicos craneofaciales y cerebrales durante la vida prenatal tardía (18,5 días posconcepción) en ratones ex-puestos a desnutrición proteica materna. Se obtuvieron imá-genes del cráneo y cerebro a partir de microtomografía com-putada y se digitalizaron landmarks en 3D para cuantificar la forma y tamaño con técnicas de morfometría geométrica. Los resultados subrayan un efecto sistémico de la restricción proteica en el tamaño del cráneo y el cerebro. La forma del cráneo es parcialmente explicable por el tamaño cerebral y los patrones de variación en forma fueron sólo en parte coin-cidentes con los reportados antes para otras edades, lo cual sugiere que las trayectorias alométricas a lo largo de la vida pre- y posnatal cambian su dirección. Los rasgos de forma del neurocráneo y el esqueleto facial covariaron fuertemen-te, aunque se encontró una asociación débil entre la forma del cráneo y del cerebro. Estos resultados concuerdan con estudios previos en ratones mutantes y revelan la relevancia de analizar la variación fenotípica en distintas etapas. El pre-sente estudio contribuye al conocimiento básico de las inte-racciones epigenéticas entre tejidos en crecimiento y tiene implicancias en el campo paleoantropológico en el que las inferencias acerca de la morfología cerebral son usualmen-te derivadas del análisis del cráneo.Fil: Barbeito Andrés, Jimena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico CONICET- La Plata. Instituto de Genética Veterinaria "Ing. Fernando Noel Dulout". Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Veterinarias. Instituto de Genética Veterinaria; Argentina. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Naturales y Museo; ArgentinaFil: Gonzalez, Paula Natalia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico CONICET- La Plata. Instituto de Genética Veterinaria "Ing. Fernando Noel Dulout". Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Veterinarias. Instituto de Genética Veterinaria; Argentina. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Naturales y Museo; ArgentinaFil: Hallgrimsson, Benedikt. University of Calgary; Canad

Integración ontogenética en la morfología craneofacial humana

El cráneo está compuesto por una amplia heterogeneidad de estructuras que durante la vida pre y postnatal sufren cambios en tamaño y forma hasta alcanzar la morfología adulta. En este contexto dinámico de variación ontogénica la relación particular entre los rasgos craneofaciales permite mantener un conjunto estructural y funcionalmente coherente. El objetivo del presente trabajo es analizar las relaciones entre rasgos morfológicos del cráneo humano a lo largo de la vida postnatal con el fin de obtener un esquema integral sobre las principales tendencias de la integración morfológica ontogénica en distintas poblaciones. Se propone una contribución a través de un estudio tanto del neurocráneo como de la región facial sobre muestras ontogénicas que abarcan un rango extenso de edades postnatales. De los patrones obtenidos a partir de los resultados será posible inferir el rol potencial de distintos procesos en etapas particulares del desarrollo humano. Como marco de referencia, la hipótesis de la matriz funcional proveyó bases conceptuales tanto para el diseño como para extraer inferencias y discutir los resultados. Se consideró esta perspectiva teórica ampliada reconociendo la existencia de regulación génica en la morfogénesis de las estructuras así como en la interacción epigenética entre regiones craneanas diferentes. Atendiendo a las características del desarrollo de las distintas partes del cráneo humano y a las particularidades de las muestras, se analizaron separadamente el neurocráneo y el esqueleto facial. Por otra parte, se consideró la región orbital que, si bien se relaciona espacialmente con estructuras faciales, contiene órganos de origen neural. Sobre siete muestras craneanas de Homo sapiens modernos que incluyen individuos adultos y subadultos se relevaron una serie de landmarks y semilandmarks tridimensionales, los cuales fueron tratados y analizados mediante métodos de la morfometría geométrica. Los soportes utilizados para la obtención de la información morfométrica incluyeron tanto tomografías computadas como Microscribe. En algunas muestras se contaba con información de la edad cronológica y el sexo de los individuos, mientras que en otras ambas variables debieron ser estimadas teniendo en cuenta el estado de emergencia dentaria y las características dimórficas del cráneo. Diferentes métodos estadísticos se emplearon para evaluar diferentes aspectos en cada una de las regiones craneofaciales. Con el fin de caracterizar la variación en tamaño durante la ontogenia, sus relaciones con la edad y las variables de forma se estudiaron mediante correlación y regresión. Además, los promedios del tamaño de grupos etarios definidos previamente se compararon mediante ANOVA. La variación en forma se analizó mediante relative warps y F de Goodall. Para establecer el cambio en los patrones de covariación entre etapas postnatales las matrices de varianza/covarianza fueron comparadas a través de correlación de matrices y random skewers. La magnitud de la covariación fue estimada para cada etapa mediante la varianza estandarizada de los autovalores. Además, se aplicó el coeficiente RV para evaluar algunos modelos de modularidad propuestos a priori y la covariación entre regiones se estudió con singular warps. Los resultados obtenidos para el neurocráneo indicaron que existe importante cambio morfológico durante los primeros años de vida, siendo la bóveda más estable que la base. Tanto el patrón como la magnitud de la integración en la bóveda se mantuvieron muy constantes a lo largo de la vida postnatal. En tanto la bóveda está influenciada por el crecimiento del cerebro que constituye su principal matriz funcional, podría sostenerse que la expansión temprano del cerebro establecería las principales asociaciones entre rasgos, las cuales se mantendrían luego constantes. La base presentó patrones de covariación similares durante la ontogenia aunque con valores más bajos que en la bóveda. La magnitud de covariación en la base fue más alta en años tempranos que en los posteriores. El crecimiento y desarrollo de la base están sometidos a la influencia de diversos factores además del cerebro en expansión. Dentro de ellos, se destacan la interacción con estructuras faciales y la columna vertebral. Esto llevaría a que las asociaciones entre rasgos de la base no se mantengan tan constantes como en la bóveda y explicaría las menores similitudes entre etapas ontogénicas respecto del patrón de covariación así como el cambio en la magnitud. Por otra parte, se halló covariación significativa entre la bóveda y la base, que dependió en gran medida del cambio en tamaño que afecta a ambas regiones durante la ontogenia. Estos resultados fueron interpretados en relación con el crecimiento del cerebro que ejerce influencia sobre la bóveda y la base conjuntamente. En la región orbital se describió una marcada similitud en los patrones y la magnitud de covariación entre etapas ontogénicas y un escaso cambio en forma. Es decir que la mayor parte de las características de forma de la órbita y de la integración de sus rasgos se establecerían temprano en la ontogenia, probablemente en respuesta a la influencia durante la etapa prenatal de los órganos que contiene. Es de destacar la covariación entre la región orbital y el neurocráneo anterior ya que refuerza la idea según la cual la región orbital tendría un patrón ontogénico más semejante al neurocráneo que al esqueleto facial. Los resultados de los análisis sobre la variación y covariación ontogénica del esqueleto facial medio evidenciaron que se trata de una región altamente dinámica, cuyas estructuras varían de manera coordinada principalmente debido a la alometría que constituye un factor integrador clave, en especial por el prolongado período de crecimiento facial. La región oral/alveolar mostró diferencias importantes entre el patrón de covariación de subadultos y adultos, lo que llevó a proponer que la erupción del M3 produciría una disrupción en la manera en que se asocian los rasgos. La magnitud de covariación fue especialmente alta en la primera y la última etapa, lo cual también fue interpretado en relación a los cambios en la dentición que ocurren durante la vida postnatal. En la región cigomática la similitud de los patrones de covariación observada entre los estadios más tempranos podrían deberse a que, si bien los músculos promueven en este período cambios morfológicos, la influencia de sus cargas comienza prenatalmente. Es decir que la estructura de covariación de los rasgos de la región cigomática podría establecerse muy temprano y presentar luego modificaciones menores. Varios resultados indicaron que las regiones oral/alveolar y cigomática están fuertemente relacionadas durante el desarrollo. La covariación entre ellas fue significativa incluso al ajustar el efecto alométrico. La fuerte integración en una escala ontogénica puede relacionarse con factores funcionales ligados a la alimentación, pero también probablemente con procesos del desarrollo compartidos que hacen que estas estructuras se encuentren asociadas. La región nasal, por su parte, mostró escaso cambio ontogénico tanto en el patrón como en la magnitud. Esto puede relacionarse con su alta heredabilidad y con el hecho de que dentro del gradiente madurativo descripto para el esqueleto facial es una de las zonas que primero alcanza su morfología adulta. La relativa independencia de la región nasal respecto de otras estructuras faciales se relacionó con su diversificación morfológica en distintas poblaciones humanas. Aunque con algunas particularidades, se observó que las distintas muestras cambian de manera similar a lo largo de su ontogenia postnatal respecto del patrón y magnitud de integración de sus rasgos. Los cambios ontogénicos en la integración morfológica fueron relacionados con algunas tendencias evolutivas descriptas para nuestra especie. En conclusión, la principal contribución de la presente tesis es proveer un corpus de resultados sobre la integración del cráneo humano en series ontogénicas relativamente completas y que representan un amplio rango de variación poblacional. A través de una perspectiva comparativa como la de este trabajo, se discutieron una serie de procesos del desarrollo potencialmente implicados en la generación de los patrones observados lo cual es un aporte para plantear líneas futuras e hipótesis de investigación que apunten a estudiar distintos factores y sus efectos.Facultad de Ciencias Naturales y Muse

La evolución de los humanos modernos : miradas desde el desarrollo

Fil: González, Paula Natalia. División Antropología. Facultad de Ciencias Naturales y Museo. Universidad Nacional de La Plata; ArgentinaFil: Barbeito-Andrés, Jimena. División Antropología. Facultad de Ciencias Naturales y Museo. Universidad Nacional de La Plata; ArgentinaFil: Bernal, Valeria. División Antropología. Facultad de Ciencias Naturales y Museo. Universidad Nacional de La Plata; Argentin

Is the vertebral canal prepared to host the aged spinal cord? : A morphometric assessment

Although the interaction between the growing spinal cord and the vertebrae has been widely demonstrated for mammal’s prenatal and early postnatal life, there is no extensive knowledge about this interaction during late postnatal stages. It has been shown that spinal cord injuries are causally related to significant degenerative changes in bone properties. Nevertheless, information about a possible influence of the spinal cord on bone remodelling in adult healthy animals is missing. The aim of this research work was to assess possible morphological changes of the cervical vertebral canal of juvenile and aged rats during the ontogenetic period of adulthood that would justify the suggested influence. Since the spinal cord of rats increases its size with ageing, we analysed whether morphometric changes are occurring in the vertebral canal that would indicate bone remodelling in response to said growth. To this end, we used three complementary morphometric methods to describe the canal of the cervical and the first thoracic vertebrae. Geometric morphometric analyses evidence scarce variation in size and shape between juvenile and aged rats suggesting that, in general terms, the canal morphology of cervical vertebrae is already prepared in early adulthood to host the growing spinal cord. C3 was the only vertebra that showed consistent variation for the variables of canal thickness, perimeter, height and area. This regional variation may be linked to the patterns described for the changing spinal cord.Facultad de Ciencias VeterinariasLaboratorio de Análisis de ImágenesFacultad de Ciencias Naturales y Muse

La evolución de los humanos modernos: Una mirada desde el desarrollo

¿Qué enseña la comparación de los patrones de desarrollo de los integrantes de la especie Homo sapiens con los de especies emparentadas actuales y extintas?Facultad de Ciencias Naturales y Muse

La evolución de los humanos modernos: Una mirada desde el desarrollo

¿Qué enseña la comparación de los patrones de desarrollo de los integrantes de la especie Homo sapiens con los de especies emparentadas actuales y extintas?Facultad de Ciencias Naturales y Muse

Brain Structural Networks in Mouse Exposed to Chronic Maternal Undernutrition

Brain structural connectivity is known to be altered in cases of intrauterine growth restriction and premature birth, although the specific effect of maternal nutritional restriction, a common burden in human populations, has not been assessed yet. Here we analyze the effects of maternal undernutrition during pregnancy and lactation by establishing three experimental groups of female mice divided according to their diet: control (Co), moderate calorie-protein restriction (MCP) and severe protein restriction (SP). Nutritionally restricted dams gained relatively less weight during pregnancy and the body weight of the offspring was also affected by maternal undernutrition, showing global growth restriction. We performed magnetic resonance imaging (MRI) of the offspring's brains after weaning and analyzed their connectivity patterns using complex graph theory. In general, changes observed in the MCP group were more subtle than in SP. Results indicated that brain structures were not homogeneously affected by early nutritional stress. In particular, the growth of central brain regions, such as the temporo-parietal cortex, and long integrative myelinated tracts were relatively preserved, while the frequency of short tracts was relatively reduced. We also found a differential effect on network parameters: network degree, clustering, characteristic path length and small-worldness remained mainly unchanged, while the rich-club index was lower in nutritionally restricted animals. Rich-club decrease reflects an impairment in the structure by which brain regions with large number of connections tend to be more densely linked among themselves. Overall, the findings presented here support the hypothesis that chronic nutritional stress produces long-term changes in brain structural connectivity.Fil: Barbeito Andrés, Jimena. Universidad Nacional Arturo Jauretche. Unidad Ejecutora de Estudios en Neurociencias y Sistemas Complejos. Provincia de Buenos Aires. Ministerio de Salud. Hospital Alta Complejidad en Red El Cruce Dr. Néstor Carlos Kirchner Samic. Unidad Ejecutora de Estudios en Neurociencias y Sistemas Complejos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Unidad Ejecutora de Estudios en Neurociencias y Sistemas Complejos; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Gleiser, Pablo Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Bernal, Valeria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Hallgrimsson, Benedikt. University of Calgary; CanadáFil: Gonzalez, Paula Natalia. Universidad Nacional Arturo Jauretche. Unidad Ejecutora de Estudios en Neurociencias y Sistemas Complejos. Provincia de Buenos Aires. Ministerio de Salud. Hospital Alta Complejidad en Red El Cruce Dr. Néstor Carlos Kirchner Samic. Unidad Ejecutora de Estudios en Neurociencias y Sistemas Complejos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Unidad Ejecutora de Estudios en Neurociencias y Sistemas Complejos; Argentin

Comparative morphometry of the vertebral column of ocelot (Leopardus Pardalis), puma (Puma Concolor) and domestic cat (Felis Catus)

El ocelote y el puma son felinos salvajes nativos de América, particularmente distribuidos en áreas montañosas y boscosas. El conocimiento de la estructura ósea de la columna vertebral es de gran importancia, ya que estas especies se caracterizan por su flexibilidad, lo que les da la agilidad para trepar y saltar con gran ligereza, y moverse rápidamente mientras capturan a su presa. Nuestro objetivo fue realizar un estudio morfométrico comparativo entre la columna vertebral del ocelote, del puma y del gato doméstico. Los estudios morfométricos basados en distancias lineales se realizaron tanto sobre las piezas anatómicas aisladas como sobre su representación digital, en tanto que los análisis de morfometría geométrica se realizaron sobre estas últimas. En este estudio se encontraron similitudes anatómicas entre el puma y el gato, que pueden relacionarse con su asociación filogenética.Ocelot and puma are native American wild cats especially distributed in mountainous and forested areas. Knowledge of the bone structure of the spine is of great importance since these species are characterized by their flexibility, which gives them the agility to climb and jump with great lightness and move quickly while capturing the prey. Our goal was to perform a comparative morphometric study between the spine of ocelot, puma and domestic cat (Felis catus). Morphometric studies (linear distances) were carried out both on the isolated anatomical pieces and on their digital representation, while the geometric morphometric analysis was performed on the latter. In this study, anatomical similarities between puma and cat that may be related to their major phylogenetic relationship were found.Facultad de Ciencias Veterinaria

Chronic protein restriction in mice impacts placental function and maternal body weight before fetal growth

Mechanisms of resource allocation are essential for maternal and fetal survival, particularly when the availability of nutrients is limited. We investigated the responses of feto-placental development to maternal chronic protein malnutrition to test the hypothesis that maternal low protein diet produces differential growth restriction of placental and fetal tissues, and adaptive changes in the placenta that may mitigate impacts on fetal growth. C57BL/6J female mice were fed either a low-protein diet (6% protein) or control isocaloric diet (20% protein). On embryonic days E10.5, 17.5 and 18.5 tissue samples were prepared for morphometric, histological and quantitative RT-PCR analyses, which included markers of trophoblast cell subtypes. Potential endocrine adaptations were assessed by the expression of Prolactin-related hormone genes. In the low protein group, placenta weight was significantly lower at E10.5, followed by reduction of maternal weight at E17.5, while the fetuses became significantly lighter no earlier than at E18.5. Fetal head at E18.5 in the low protein group, though smaller than controls, was larger than expected for body size. The relative size and shape of the cranial vault and the flexion of the cranial base was affected by E17.5 and more severely by E18.5. The junctional zone, a placenta layer rich in endocrine and energy storing glycogen cells, was smaller in low protein placentas as well as the expression of Pcdh12, a marker of glycogen trophoblast cells. Placental hormone gene Prl3a1 was altered in response to low protein diet: expression was elevated at E17.5 when fetuses were still growing normally, but dropped sharply by E18.5 in parallel with the slowing of fetal growth. This model suggests that nutrients are preferentially allocated to sustain fetal and brain growth and suggests the placenta as a nutrient sensor in early gestation with a role in mitigating impacts of poor maternal nutrition on fetal growth.Instituto de Genética VeterinariaFacultad de Ciencias Naturales y Muse

Diversificación morfológica de los primates platirrinos: una aproximación craneofuncional comparativa

Evolutionary history of platyrrhines resulted in an outstanding morphological variation of their craniofacial structures. The early divergence of lineages and the occupation of varied niches are potential causes for this diversity. Our work aims to explore the patterns of morphological variation in the skull of platyrrhines of South America and to test the hypothesis that explains shape diversity as a function of size change. Here, skull lateral radiographs of 12 species of platyrrhines -each species represented a different genus- were analyzed using an approach that combines the craniofunctional theory and methodological tools from geometric morphometric. Results showed that morphological differentiation between genera can be only partially explained by their phylogenetic structure and there may be other ecological factors involved. Additionally, major cranial components presented a relatively independent variation between them, being the facial shape more influenced by the size than the neurocranium. In sum, craniofunctional theory and geometric morphometric gave some clues to formulate hypothesis about development and functional processes related to the origin and maintenance of macroevolutionary patterns of morphological diversity.Instituto de Genética VeterinariaFacultad de Ciencias Naturales y Muse