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Hochauflösende Methoden in der Osteologie

μCT-Anwendungen in der biologischen Anthropologie G. W. Weber1; S. Benazzi1,2; O. Kullmer3 1Universität Wien,

Department für Anthropologie, Wien, Österreich; 2Department of Human Evolution, Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, Leipzig; 3Department of Palaeoanthropology and Messel Research, Senckenberg Research Institute, Frankfurt/Main

Schlüsselwörter Virtuelle Anthropologie, Mikro-Computertomografie, Gestaltanalyse, Biomechanik

Zusammenfassung Die Anthropologie ist im Wandel begriffen. Neue Felder wie die Virtuelle Anthropologie nutzen die fächerübergreifende Zusammenarbeit und modernste Technologien wie Micro-Computertomografie, statistische Gestalt- und Formanalysen und biomechanische Modellierungen. Die Bedeutung dieser Veränderungen, auch im Hinblick auf eine zukünftig verstärkte Kooperation mit den medizinischen Wissenschaften, werden erörtert. Anhand zweier Beispiele wird der Nutzen der Innovationen beschrieben. Das erste Beispiel demonstriert die Entdeckung der ältesten europäischen modernen Menschen (Grotta del Cavallo, ~ 45 000 Jahre), die zunächst als Neandertaler fehlinterpretiert wurden. Die inneren und äußeren Strukturen der Milchzähne wurden mithilfe von μ-CT-Daten untersucht und mit modernen Menschen und Neandertalern verglichen. Die Individuen von Cavallo erwiesen sich eindeutig als anaKorrespondenzadresse Univ.Prof. Dr. Gerhard W. Weber Universität Wien, Department für Anthropologie, Althanstr. 14, A-1090 Wien, Austria E-Mail: [email protected]

tomisch modern, ein Befund, der nun auch die Interpretation der begleitenden Werkzeugfunde beeinflusst. Das zweite Beispiel betrifft die erste realitätsnahe Simulierung der Biomechanik von menschlichen Molaren, die mithilfe von μ-CT-Aufnahmen und der Beurteilung des individuellen Abkauungsmusters der Zähne erstellt wurde.

Keywords Virtual Anthropology, micro-computed tomography, shape analysis, biomechanics

Summary The domain of anthropology is in flux. New interdisciplinary fields such as Virtual Anthropology (VA) utilize collaborations across borders as well as state-of-the-art technologies such as micro-computed tomography, statistical shape and form analysis, and biomechanical modelling. The meaning of these changes, also with regard to a possibly broadened cooperation with the medical sciences, is discussed. By means of two examples, we describe the µCT-Applications in Biological Anthropology Osteologie 2013; 22: 18–24 eingereicht: 23. Oktober 2012 angenommen: 27. Oktober 2012

Forschung in der biologischen Anthropologie Anthropologie ist jene Wissenschaft, in der sich per definitionem alles um uns Menschen dreht (griechisch ánthropos: „Mensch“ und lógos: „Lehre“). Sie wurde vom Autor des ersten deutschsprachigen Lehrbuchs der Anthropologie als die „Na-

turgeschichte des Menschen in Raum und Zeit“ beschrieben (1) und wird heute üblicherweise in eine biologische Anthropologie (Biologie, Evolution) und in eine Kulturanthropologie (Ethnografie, Archäologie, Linguistik) gegliedert. Zentrales Forschungsthema der biologischen Anthropologie ist die biologische Variabilität der Menschen, ihrer Vorfahren und ihrer

benefits of innovation. The first example demonstrates the discovery of the earliest European modern humans (Grotta del Cavallo, ~45,000 years) that were erroneously classified as Neanderthals in the 1960s. Two milk teeth were μ-CT scanned and their internal and external structures analysed metrically according to methods of VA. The comparison with recent humans, paleolithic humans, and Neanderthals showed that the Cavallo people were clearly anatomically modern. Because advanced tools were also found in the cave, this result has an impact on the interpretation of the transition of cultures and extinction of Neanderthals. The second example shows the first realistic simulation of the biomechanics of human molars that uses individual wear patterns for loading scenarios. The Finite Element Analyses of the teeth were done on μ-CT scans of modern material and showed that, if the different phases of mastication and the wear information were integrated, results differ significantly from former simulations. For instance, the occlusal fissures show extremely high tensile stresses. The meaning of this is not yet understood but sounds a note of caution with regard to dental interventions (i. e. fissure fillings).

nächsten Verwandten. Weil die Ursachen der Variabilität bis zur Erkenntnis einer tatsächlich existierenden Evolution (2–4) wenig Anreiz zur Forschung gaben, ist die Anthropologie eigentlich eine eher junge Wissenschaft, die sich erst Mitte des 19. Jahrhunderts in ersten Institutsgründungen und Lehrstühlen äußerte. Es waren vor allem Anatomen, Ethnografen und an-

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dere Mediziner, die in der Anfangszeit Impulse setzten (5), nachdem sich der Gedanke einer biologischen Evolution und der Wandelbarkeit der Arten durchzusetzen begann. Die Anthropologie war mit dem Anspruch eines ganzheitlichen Faches gegründet worden und durch weite Teile des 20. Jahrhunderts gegangen. Sie bietet ein unglaublich vielfältiges Spektrum an Forschungsmöglichkeiten, das Fächer wie Anatomie, Physiologie, Embryologie, Osteologie, Morphometrie, Funktionsmorphologie, Ontogenie, Auxologie, Humangenetik/Molekularbiologie, Populationsgenetik, Hominidenevolution, Systematik, Taphonomie, Primatologie, Sozialanthropologie, Humanökologie, Humanethologie oder Paläodemografie inkludiert, um nur einige zu nennen. Der Anspruch, viele, oder wenigstens auch nur einige, dieser Bereiche aktuell zu überblicken, ist angesichts der Informationsflut und Fächer-Spezialisierung mittlerweile überhaupt nicht mehr zu halten. Viele Inhalte driften deshalb von der Anthropologie in andere Disziplinen ab, wie z. B. Paläoanthropologie in die Paläontologie, forensische Anthropologie in die Gerichtsmedizin, Auxologie in die Pädiatrie, und so weiter. Auf der anderen Seite sehen sich Forscher in den einzelnen Disziplinen immer mehr hineingedrängt, zu einem „Fachidioten“ zu mutieren. Der Blick über den eigenen Tellerrand, hin aufs Ganze, ist den meisten verloren gegangen. Zu hoch sind die Anforderungen, auch nur das Wesentliche im eigenen Bereich zu überblicken. Viele bedauern das und Aufrufe der großen Funding-Agencies zur „interdisziplinären Zusammenarbeit“ unterstreichen die Notwendigkeit, Barrieren aufzubrechen. Genau hier kann die Anthropologie wieder Bedeutung gewinnen, vor allem wenn sie in innovativer Weise modernste Technik nutzt und sich auch den anderen Wissenschaften öffnet. Ein Ansatz in diese Richtung stellt die „Virtuelle Anthropologie“ dar (6). Sie beschäftigt sich hauptsächlich mit der funktionellen Morphologie von rezenten und fossilen Hominiden. Der Unterschied zu den klassischen Methoden der biologischen Anthropologie besteht darin, dass die digitalisierten Untersuchungsobjekte (die Daten stammen oft aus dem Medical

Imaging Bereich wie Computertomografie [CT] oder Magnetresonanztomografie [MRT], aber auch Mikro-Computertomografie [μ-CT] und Oberflächenscans werden eingesetzt) innerhalb einer Computerumgebung in 3D weiterverarbeitet werden. Die entscheidenden Vorteile liegen in der Zugänglichkeit versteckter Strukturen (z. B. Gehirn, Sinus, Dentin), der ständigen Verfügbarkeit der virtuellen Objekte („7/24“) und der hohen Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Die Entstehung der Virtuellen Anthropologie (VA) ging einher mit der computertechnologischen Revolution der 1970er- bis 1990er-Jahre, denn ohne die Möglichkeiten der raschen Verarbeitung riesiger Datenmengen ist sie nicht denkbar. Auch die Entwicklung der dahinter stehenden mathematischen Methoden und Statistik wäre ohne elektronische Rechnersysteme nicht möglich gewesen.

Welchen Stellenwert hat modernste Technologie? Funktionelle Morphologie ist ein immer bedeutender werdender Teil der biologischen, aber auch der medizinischen Forschung. Sie führt die Ergebnisse der Strukturanalysen mit jenen der Funktionsanalysen zusammen. Die Idee von „form follows function“ ist eine sehr alte, die zum Beispiel schon von Georges Cuvier (1769–1832) mit seiner „Conditions d’Existence“ zum Ausdruck gebracht wurde. Obwohl wir mittlerweile gelernt haben, dass Gestalt und Form von diesem strengen Kanon abweichen können ‒ Genetik und Evolutionstheorie waren noch unentdeckt zu Cuviers Zeiten ‒ müssen wir doch die Wichtigkeit des Zusammenhangs zwischen Form und Funktion anerkennen. Funktionelle Morphologie ist daher ein fundamentaler Ansatz, um Biologie auf einer Makroebene zu studieren, mit dem Ziel, zu verstehen, wie Gestalt und Größe die Funktion beeinflussen, oder was die Funktion einer Struktur überhaupt sein könnte.

Abb. 1 Virtuelle Kopie eines menschlichen Craniums mit klassischen Landmarks (biologisch homologe Messpunkte) als blaue Kugeln und hunderten Semi-Landmarks (geometrisch homologe Messpunkte) als gelbe Kugeln. Nahezu die gesamte Geometrie des Craniums kann mit dieser Methode erfasst werden. Fig. 1 Virtual copy of a human cranium with classical landmarks (biologically homologous measuring points) as blue spheres and hundreds of semilandmarks (geometrically homologous measuring points) as yellow spheres. Almost the complete geometry of the cranium can be captured with this method.

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Abb. 2 μ-Computertomograf (VISCOM X8060) am Department für Anthropologie der Universität Wien. Die Maschine kann Objekte in der Größe kompletter Schädel in sehr hoher Auflösung scannen. Fig. 2 μ-Computer Tomograph (VISCOM X8060) at the Department of Anthropology/University of Vienna. The machine can scan objects of the size of a complete skull in very high resolution.

Technologie hat hier einen ganz entscheidenden Einfluss auf unser Potenzial. Die generellen anatomischen Strukturen sind natürlich längst beschrieben, aber Form und Gestalt im Detail quantitativ zu analysieren, in Strukturen zerstörungsfrei hineinzusehen, in die Mikroebenen vorzudringen oder die Biomechanik von Strukturen zu analysieren, sind Aufgaben, die erst in jüngster Zeit möglich werden. Über die sogenannte „Geometric Morphometrics“ (7, 8), ein wesentlicher Bestandteil der VA, ist es ungefähr seit der Jahrtausendwende möglich, komplexe 3D-Strukturen wie Schädel, Gesichter oder postkraniale Elemente mit Hilfe von hunderten Messpunkten zu vergleichen, mittlere Formen zu berechnen, die Variation darzustellen oder hypothetische Zwischenformen zu berechnen. Das alles passiert mit Hilfe von ausgereiften mathematischen und statistischen Methoden wie der „Procrustes Superimposition“, „Thin Plate Spline Warping“ oder „Principal Component Analysis“ (6). Der Vorteil der 3D-koordinatenbasierten Methoden ist, dass Objekte in viel größerer Detailgenauigkeit vermessen und hunderte Messpunkte an tausenden Objekten gleichzeitig verarbeitet werden können

(▶ Abb. 1). Das alles wäre mit den traditionellen Methoden der Anthropometrie nicht möglich, weder mit qualitativen Beschreibungen noch mit simplen Distanzund Winkelmaßen. Die medizinische Bildgebung wiederum hat es uns seit den 1970er-Jahren ermöglicht (9), 3D-Daten aus dem Inneren von Körpern zu gewinnen. Die Radiografie existierte zwar schon viel länger (10), aber aufgrund der Einschränkung auf zwei Dimensionen sowie der damit verbundenen Projektions- und Kontrastprobleme liefert sie Daten, die nur eingeschränkten Wert haben. Warum ist 3D so wichtig? Nun, weil die räumlichen Eigenschaften von dreidimensionalen Körpern wie Primaten nun einmal in drei Dimensionen analysiert werden müssen. Oder können Sie sich vorstellen, dass ein hypothetisches Wesen, das auf einem Blatt Papier in 2D lebt, etwas Vernünftiges über unsere Welt sagen kann? Die Scanner wurden über die Jahre besser und wir stehen heute im medizinischen Bereich bei möglichen Auflösungen von 100 bis 200 μm. Nicht genug allerdings für manche Aufgaben. Sogenannte „Industriescanner“, oder heute eher „μ-CTs“ genannt, erlauben uns jetzt Auflö-

sungen hinunter bis in den niedrigen Mikrometerbereich (1–100 μm). Detailanalysen trabekulärer Strukturen, Zahnschmelzdicken- oder kortikale KnochendickenMessungen werden so mit hoher Genauigkeit möglich. 2009 eröffnete die Universität Wien das „Vienna Micro-CT Lab“, das einer der Autoren (GW) seither leitet. Der Scanner in diesem Labor ist sehr außergewöhnlich (▶ Abb. 2). In der Tat gibt es nur ein Handvoll davon in Europa. Er erlaubt nämlich, Objekte in der Größe von kompletten Schädeln zu scannen – und das in einer sehr hohen Auflösung (www.microct.at). Damit wird es z. B. möglich, zerstörungsfrei in seltene Sammlungstücke hineinzusehen, wie etwa in einen kompletten „Leontiasis“-Schädel (eine Knochenhypertrophie) des Pathologisch-Anatomischen Bundesmuseums (▶ Abb. 3). Diese Daten können einerseits dazu dienen, Gestalt und Form von Mikrostrukturen zu untersuchen, und andererseits dazu, die Biomechanik zu simulieren. Aus dem Ingenieurwesen stammt ein Verfahren, das als „Finite-Elemente-Analyse (FEA)“ bekannt wurde. Zunächst nur in der Technik angewandt, um konstruierte Bauteile mechanisch zu prüfen oder etwa Car-Crashs zu simulieren, erwies sich die Technologie auch in der Biologie als sehr nützlich (11–13). Wir wissen z. B. praktisch nichts über die Biomechanik unseres Kauapparates, der einer der am meisten belasteten Teile unseres Körpers ist (14). Wir haben keine Ahnung, warum das Relief unserer Zähne so gestaltet ist, wie wir es vorfinden, welchen Sinn die Fissuren, die durch die Okklusalflächen verlaufen, haben oder warum Zahnschmelz am Zahnhals der Krone häufig bricht. Wir haben auch längst nicht die Konsequenzen der evolutiven Reduzierung unserer Kiefer verstanden (unserer Vorfahren hatten viel mächtigere Kiefer, die weiter nach vorne ragten). So füllen tagtäglich Menschen mit Kieferproblemen die Praxen der Kieferorthopäden. Wir wissen nicht, ob es letztlich eine Umstellung der Ernährung war, die unter anderem unsere Kiefer veränderte und schließlich unsere eigene Spezies, den anatomisch modernen Menschen, entstehen ließ (15). Es gibt also noch sehr viel zu tun, um unsere eigenen Körper zu verstehen – auch abseits der heutigen Mainstream-

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Forschung, die sich mehr und mehr auf genetisch/molekulare Ansätze konzentriert. Der Einsatz von moderner Technologie ist unabdingbar, um hier Fortschritte zu erzielen. Teilweise müssen wir auch erst Dinge entwickeln, und zwar in interdisziplinären Ansätzen. Genau so ist es geschehen in der VA, als viele Methoden zur Formanalyse eigentlich für den paläoanthropologischen Einsatz entwickelt wurden (16–18). Danach stellten sich einige als sehr brauchbar auch für medizinische Zwecke heraus (19–21). Im Moment kämpfen wir damit, organismische Formdaten und Ergebnisse von Bewegung (Kinematik) und Belastung (Dynamik) zu verbinden. Die Statistik dafür ist einfach noch nicht erfunden, die Gebiete lassen sich bislang nur getrennt voneinander auswerten. Die Ergebnisse des einen lassen sich nur subjektiv, also im Kopf des Betrachters, mit den anderen verbinden. Wir müssen erst die Werkzeuge entwickeln, um dies numerisch zu tun (22). Im Folgenden sollen einige Beispiele für Anwendungen aus der biologischen Anthropologie vorstellen, die Nutzen aus den Techniken der VA und der μ-CT ziehen. Auch wenn hier keine klinischen Applikationen vorkommen, ist der potenzielle Einsatzbereich doch deutlich erkennbar.

Vom ältesten modernen Menschen in Europa zur Fissurenversiegelung In unserem ersten Fall tauchen wir weit in die Urzeit ein. Eine der interessantesten Fragen ist jene, wann wir modernen Menschen (Homo sapiens) nach Europa kamen und begannen, die hier lebende andere Menschenform, die Neandertaler, zu verdrängen. Wie wir jüngst herausfanden, passierte dies etliche Tausend Jahre früher, als man bisher dachte. Unser wissenschaftliches Team unter der Leitung des Departments für Anthropologie der Universität Wien untersuchte zwei prähistorische Milchzähne (▶ Abb. 4). Diese Zähne wurden 1964 in der „Grotta del Cavallo“, einer prähistorischen Höhle in Süditalien, gefunden, damals aber den Neandertalern zugeordnet. Unsere Studie zeigt, dass sie von anatomisch modernen Menschen stammen und die dazugehörigen Fundschichten

Abb. 3 Beispiel eines μCT Scans, der „Leontiasis“-Schädel des Pathologisch-Anatomischen Bundesmuseums Wien. Die kortikalen und spongiösen Knochenanteile dieser pathologischen Knochenhypertrophie können in einer Auflösung von 80 μm untersucht werden. Fig. 3 Example of a μCT scan, the „Leontiasis“ skull from the Pathological-Anatomical Museum Vienna. The cortical and spongious bone areas of this pathological bone hypertrophy can be inspected at a resolution of 80 microns.

43 000 bis 45 000 Jahre alt sind. Das bedeutet, dass diese Fossilien älter sind als alle bisher bekannten europäischen Funde von modernen Menschen. Der Artikel dazu erschien im Fachjournal „Nature“ (23). Die prähistorische Höhle „Grotta del Cavallo“ wurde 1960 in Apulien entdeckt. Ihre sieben Meter dicken archäologischen Schichten umfassen genau jene Zeit, in der die Neandertaler von den modernen Menschen abgelöst wurden. 1964 wurden dort von Arturo Palma di Cesnola (24) zwei Milchzähne aus der sogenannten Uluzzian-Schicht ausgegraben. Charakteristika der Uluzzian-Kultur (25) – beschrieben in mehr als 20 Fundorten in Italien – sind die Produktion von Schmuck und Knochenwerkzeugen sowie die Verwendung von Farbstoffen. Solche Artefakte werden üblicherweise mit dem symbolischen Verhalten von modernen Menschen in Verbindung gebracht. Die Zähne von Cavallo wurden in den 1960er-Jahren aber den vor 200 000 bis 40 000 Jahren lebenden Neandertalern zugerechnet, und diese Zuordnung galt seither als Beleg dafür, dass die Uluzzian-Kultur mit ihren komplexen

Ornamenten und Werkzeugen auf die Neandertaler zurückgehe. Wir verglichen hochauflösende mikrocomputertomografische Aufnahmen der menschlichen Überreste der Grotta del Cavallo mit einer großen Stichprobe von modernen Menschen und Neandertalern. Zum einen wurde die Dicke des Zahnschmelzes vermessen und zum anderen der generelle Umriss der Zahnkronen. Mithilfe der Mikro-Computertomografie war es möglich, diese inneren und äußeren Formmerkmale der Zahnkronen zu untersuchen: Die Resultate zeigten eindeutig, dass die Funde der Grotta del Cavallo von modernen Menschen stammen und nicht von Neandertalern, wie ursprünglich angenommen. Gleichzeitig wurden neue chronometrische Analysen der Oxford Radiocarbon Accelerator Unit erstellt. Frühere Datierungen des Uluzzian waren problematisch und von Verunreinigungen beeinträchtigt (26). Da die Zähne für eine direkte Datierung zu wenig Material liefern würden, entwickelten die Forscher der englischen Elite-Uni einen neuen Ansatz, um Muschelperlen aus derselben Fundschicht

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Abb. 4 Einer der beiden 45 000 Jahre alten Milchzähne aus Apulien (Cavallo-B) als Original (links oben), als 3D-Rendering am Computerschirm (rechts oben, mit transparentem Zahnschmelz) und in einer Schnittansicht zur Bestimmung der Zahnschmelzdicke (unten); Auflösung 25 μm (23). Fig. 4 One of the 45,000-year-old milk teeth from Apulia (Cavallo-B) as original (left top), as a 3D rendering on the computer screen (right top, with transparent enamel), and in a sliced view to determine enamel thickness (bottom); resolution 25 μm [23].

wie die Zähne zu untersuchen. Dies zeigte, dass die Zähne ca. 43 000 bis 45 000 Jahre alt sind. Die neuen Datierungen bedeuten, dass diese zwei Zähne der Grotta del Cavallo die ältesten modernen Menschen in Europa repräsentieren, die man bisher kennt. Dieser Fund bestätigt, dass die Ankunft unserer Spezies auf dem Kontinent einige tausend Jahre früher erfolgte (cf.[27]). Damit bestand auch die Koexistenz mit den Neandertalern wesentlich länger, als bisher angenommen. Mit diesen fossilen Belegen konnten wir auch bestätigen, dass moderne Menschen und nicht Neandertaler die fortschrittliche UluzzianKultur geschaffen haben. Ob dieser technologische – und wohl auch mentale – Vorsprung an der Verdrängung der Neandertaler beteiligt war, ist schwer zu beweisen, aber nicht unwahrscheinlich. Menschliche Fossilien sind sehr selten, vor allem solch gut erhaltenen Milchzähne. In der Vergangenheit waren die Möglichkeiten zur Identifizierung eingeschränkt und erfolgten nur aufgrund der äußeren

Morphologie (24). Es ist dem Einsatz der μ-CT und der metrischen Analysen der VA zu verdanken, dass diese Funde richtig eingeordnet werden konnten. Außerdem ist der Fall ein gutes Beispiel dafür, dass die Zusammenarbeit von mehreren europäischen Institutionen fruchtbar ist. Ohne sie wäre das fossile Material und die verschiedenen Methoden für die entsprechenden Analysen nicht zur Verfügung gestanden. In unserer zweiten Geschichte begeben wir uns zurück in die Gegenwart. Wie schon anfangs erwähnt, ist die Biomechanik der Zähne ein fast weißer Fleck auf der Landkarte unseres Wissens. Wenn überhaupt solche Studien gemacht werden, verwenden sie Szenarien für die Belastung der Zähne, die weit von der Realität entfernt sind. Wenn wir kauen, berühren sich die Höcker unserer Zähne in einer ganz bestimmten Weise. Man spricht von einer Phase 1 (Ineinandergleiten), dann von der maximalen Verzahnung, und schließlich der Phase 2 (Auseinandergleiten). Die Belastungen ändern sich naturgemäß je nach

Phase und Relief der beteiligten Zähne. Übliche biomechanische Simulationen gehen aber von einem sehr einfachen Szenario aus, meist einer Belastung parallel zur Längsachse des Zahnes (28, 29). In einer 2011 erschienen Studie (30) in Zusammenarbeit mit dem Senckenberg-Forschungsinstitut Frankfurt konnten wir weltweit zum ersten Mal eine Finite-ElementeStudie vorlegen, die die individuellen Abkauungsmuster am Zahn (unterer erster Molar) und seine entsprechenden Antagonisten (oberer zweiter Prämolar und oberer erster Molar) in Betracht zieht (▶ Abb. 5). Das wird möglich über die sogenannte „Occlusal Fingerprint Analysis“ (31, 32), die es erlaubt, die jeweiligen Kontaktflächen und die relative Bewegung der Zähne zueinander zu erfassen. Über die μ-CT Aufnahmen (Auflösung ~ 55 μm) wurden virtuelle Modelle der Zähne produziert, die in der biomechanischen Simulation eben jenen realitätsnahen Szenarios ausgesetzt wurden. Diese Art der Erforschung der funktionellen Morphologie der Zähne steht noch an ihrem Anfang. Aber einige erstaunliche Dinge zeigten sich bereits bei diesem Pilotprojekt: Die Druckund Zugbelastungen ändern sich dramatisch in den verschiedenen Phasen der Kaubewegungen und sehen erheblich anders aus, als bei den bisher verwendeten simplifizierten Beladungsszenarien. Sehr hohe Druckbelastungen entstehen natürlich an den sogenannten Abnutzungsfacetten – dort, wo der Zahnschmelz durch die ständige Berührung während des Kauvorgangs als erstes erodiert. Weniger erwarteten wir, die sehr hohen Zugbelastungen in den Gruben und Furchen der Kaufläche, den sogenannten Fissuren, zu finden. Die Ursachen sind noch unklar, aber die Resultate mahnen zur Vorsicht, z. B. hinsichtlich der neuerdings üblich gewordenen Versiegelung der Fissuren (33). Diese mögen einerseits vor Karies schützen, was wir damit aber biomechanisch dem Zahn antun, ist völlig ungeklärt. Oder um mit dem anfangs zitierten Georges Cuvier zu sprechen: Organische Strukturen, die wir erkennen, sind in vielen Fällen bereits auf ihre Funktion hin optimiert.

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Danksagung

Abb. 5 Finite-Elemente-Analyse eines menschlichen unteren Molaren (maximum principal stress distribution). Links die Okklusalfläche und distolinguale Ansicht unter der klassischen Annahme einer Punktbelastung im Zentralbasin parallel zur Zahnhochachse, rechts dieselben Ansichten unter der mehr realistischen Annahme verschiedener Belastungspunkte und -richtungen, die aus dem individuellen Abkauungsmuster des Zahnes gewonnen wurden. Beachtenswert sind die sehr hohen Zugbelastungen in den Fissuren zum Zeitpunkt der maximalen Verzahnung; nach (30). Fig. 5 Finite Element Analysis of a human lower molar (maximum principal stress distribution). Left the occlusal surface and a distolingual view under the classical assumption using a loading on a single contact point of the occlusal basin parallel to the vertical tooth axis, right the same views under the more realistic assumptions of using loadings at various points and directions which were obtained from the individual wear pattern of the tooth. Note the high tensile stresses at the fissures during maximum intercuspation; after (30).

Abschließende Betrachtungen Den beiden präsentierten Beispielen ließen sich noch viele andere hinzufügen. Das Muster des Erfolges bleibt aber immer gleich: Modernste Technologie wie die Mikro-Computertomografie erlaubt neue Zugänge zu alten Problemen, vor allem in der Osteologie. Die Technologie an sich ist aber noch kein Zauber-Tool. Die entsprechenden Methoden und Forschungsansätze zu ihrem sinnvollen Einsatz müssen ebenfalls entwickelt werden und dies gelingt vor allem in einem interdisziplinären Umfeld am besten. Wenn Anthropologen, Biologen, Mathematiker, Statistiker, Computerwissenschaftler und Ingenieure zusammenarbeiten, entfalten sich die Möglichkeiten der neuen Technologie erst richtig. Ohne Mitwirkung der technisch orientierten Fachkollegen haben Forscher aus

den Life-Sciences oder der Medizin kaum eine Chance, diese auszureizen. Techniker sind oft leichter zu begeistern für biologische oder medizinische Fragen, als man glaubt, vielleicht weil die Sinnhaftigkeit der Problemlösung so offensichtlich ist. Eine akkurate Formulierung der Problemstellung ist aber der wohl wichtigste Schlüssel. Und diese kommt eben in vielen Fällen von jenen, die näher am Organismus dran sind: den Anthropologen/Biologen und den Medizinern. Auch zwischen diesen beiden Feldern sind die Möglichkeiten zur Zusammenarbeit fast unbegrenzt. Der klinische Alltag lässt immer weniger Zeit und Spielraum für Spitzenforschung. Offene Fragen hingegen gibt es mehr als genug. In diesem Sinne könnte eine intensivierte Zusammenarbeit zwischen Medizinern und virtuellen Anthropologen in Zukunft vielleicht große Früchte tragen.

Wir danken Prof. Heinrich Resch und Prof. Franz Kainberger für die gute Zusammenarbeit der letzen Jahre und die Einladung, an diesem Band mitzuwirken. Dank geht auch an Prof. Ian Grosse für seine Mitarbeit an der FEA der Zähne, an Mag. Cinzia Fornai für die Aufbereitung von Daten, Mag. Julia Deutschmann für die Bearbeitung der pathologisch-anatomischen Präparate, Prof. Beatrix Patzak und Prof. Heinrich Resch für den Datenzugang sowie auch an die zahlreichen KollegInnen der Cavallo Publikation für ihre Mitarbeit. Diese Arbeit wurde gefördert von US-NSF 01–120 Hominid Grant 2007, A.E.R.S. Dental Medicine Organisations GmbH FA547013, der Foundation Fyssen, DFG INST 37/706–1 FUGG, und ist Publikation Nr. 51 von der DFG Forschergruppe 771 „Funktion und Leistungssteigerung in der Bezahnung von Säugetieren – phylogenetische und ontogenetische Einflüsse auf den Kauapparat“. Interessenkonflikt

Der korrespondierende Autor gibt an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

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