Open Access

Franziska Wagner

• During the last decades mammalian intracranial structures like the ethmoidal region have rarely been a focus of morphological studies, as they required invasive techniques. Contrary, the ontogeny of the fetal nasal capsule could easily be investigated based on histological material. Since the early 21st century modern imaging techniques like high-resolution computed tomography (μCT) reveal non-destructive insights into the mammalian skull. Furthermore, visualization software enables the virtual reconstruction of the tissues and additionally their morphometric analyses. However, the use of morphometric approaches on the nasal cavity is still scarce. Moreover, the turbinal skeleton is generally regarded as a unit, or the rostral respiratory part is compared to the caudal olfactory part; but the distinct olfactory turbinals have been considered only in a few studies. The present study focuses on the highly diverse facial shape of the dog (Canis lupus familiaris) that evolved during domestication. Due to human-controlled breeding and care the natural selective pressure in prehistoric dogs has been replaced continually by artificial selection. As a consequence, harmful mutations on gene loci which e.g., control facial length growth got fixed within an extremely short time. According to veterinarian studies the turbinals of short snouted breeds continue their growth after the elongation of the facial bones has stopped prematurely. However, such investigations are based on low-resolution CT or MRT data and the morphological descriptions are vague. Referring to the elongation of the face in dolichocephalic breeds no former study has dealt with the detailed morphology of their turbinal skeleton so far. The current study is based on comparative anatomical, morphometric, morphofunctional, and ontogenetic patterns of the dog’s turbinal skeleton. The 32 macerated skulls and four histological serial sections represent eleven breeds which cover different snout lengths (brachycephalic, mesaticephalic, dolichocephalic; according to two length indices), functional groups (scent hound, sighthound, companion/toy), and breeding histories (ancient pure-breeding associated with an unchanged appearance, modern time fashion breeding). The nasal cavity of the selected skulls was μCT-scanned and virtual 3D models of the turbinal skeleton were reconstructed. The breeds have been compared with each other in their number of olfactory turbinals, in the morphology of all turbinals and the lamina semicircularis as well as in their morphometrics and ontogeny. Based on morphological and ontogenetic patterns a new terminology of the interturbinals was established. The morphometric data covers the measurement of the relative turbinal surface area (IAT) and the calculation of the surface density (SDEN) and the turbinal complexity (TC). For the latter parameter a new morphometric approach was developed. For the ontogenetic comparison histological serial sections of perinatal dog stages have been consulted. As the dog’s ancestor macerated skulls of three adult Eurasian wolves (Canis lupus lupus) function for outgroup comparison and represent the grundplan with which the breeds are compared. The results support former studies concerning a species-specific number of the fronto- and ethmoturbinals: in the Eurasian wolf and all postnatal dogs under study three ethmoturbinals and three frontoturbinals are observed. Additionally, two types of interturbinals are distinguished, namely four prominent interturbinals which are present in nearly all individuals and show a homologous pattern, and a variable number of additional interturbinals which differ in their shape among the dogs. Generally, longer snouted breeds have more additional interturbinals, so the total number of olfactory turbinals is increased to a maximum of 16 in the borzoi, whereas several short snouted breeds have only nine olfactory turbinals due to the loss of additional interturbinals and one prominent interturbinal. Regarding ontogeny the growth of the respiratory and the olfactory turbinals and the lamina semicircularis is highly associated with the growth of the facial bones after birth. As the viscerocranium of brachycephalic breeds is subjected to a postnatal growth inhibition the ethmoidal region stops growing prematurely, too. The turbinals of both functional parts develop less accessory lamellae that results in the reduction of the three morphometric parameters IAT, SDEN, and TC. The increase of all these three parameters with increasing snout length proves a correlation between both variables in the maxilloturbinal, all olfactory turbinals, and the lamina semicircularis in the dog. With the help of the perinatal dog stages plesiomorphic patterns which are present in all adult specimens (e.g., separation of ethmoturbinal I into two laminae, the presence of the uncinate process) were distinguished from less established morphological traits which get preferably reduced in association with brachycephaly (e.g., the anterior process of the posterior lamina of ethmoturbinal I, the caudal processes of frontoturbinal 1 and 2 within the frontal sinus due to the latter’s reduction). Obviously, the driving mechanism behind these and further variations are mutations on gene loci which control ontogenetic processes: the in other studies already described postnatal growth inhibition in the dermal bones of the midface of brachycephalic breeds seems to have a similar effect on the ethmoidal region. The results of the present study serve as basis for the evaluation how far the bony turbinals’ morphology, morphometrics, and ontogeny might be associated with physiological, genetic, neurological, and phylogenetic patterns. Additionally, the growth patterns of the hard tissues need to be compared to those of the soft tissues (i.e. the nasal epithelium).
• In vergangenen Jahrzehnten standen interne Schädelstrukturen der Säuger wie die Ethmoidalregion nur selten im Fokus morphologischer Studien aufgrund der Anwendung invasiver Methoden. Die Ontogenese der fetalen Nasenkapsel konnte hingegen einfacher anhand histologischen Materials untersucht werden. Seit Beginn des 21. Jahrhunderts erlauben moderne bildgebende Verfahren wie die hochauflösende Computertomographie (μCT) non-invasive Einblicke in den Säugerschädel und Visualisierungssoftware dient der virtuellen Rekonstruktion und morphometrischen Analyse des Gewebes. Am Riechmuschelskelett (Turbinalskelett) wurden bisher jedoch selten morphometrische Methoden angewendet. Außerdem wird generell entweder das Turbinalskelett als Einheit betrachtet, oder der respiratorische Bereich im Vergleich zum olfaktorischen. Die einzelnen Riechmuscheln (Turbinalien) fanden bisher in nur wenigen Studien Beachtung. Die vorliegende Studie befasst sich mit der hochdiversen Gesichtsform des Haushundes (Canis lupus familiaris), die im Laufe seiner Domestikation entstanden ist. Künstliche Selektion aufgrund kontrollierter Zucht und unter menschlicher Obhut löste in prähistorischen Hunden graduell die natürliche Selektion ab. Die Folge ist eine beschleunigte Anhäufung schädlicher Mutationen an Genloci, die beispielsweise das Längenwachstum des Gesichts steuern. Gemäß veterinärmedizinischen Studien wachsen die Turbinalien kurzschnäuziger (brachyzephaler) Rassen auch nach einem verfrühten Wachstumsstopp ihrer äußeren Gesichtsknochen weiter. Diese Ergebnisse stützen sich allerdings auf CT- und MRT-Aufnahmen geringer Auflösung und ungenaue morphologische Deskriptionen. Bezüglich der Verlängerung des Gesichtsschädels dolichozephaler Rassen hatte sich bisher noch keine weitere Studie mit deren Turbinalienmorphologie befasst. Die aktuelle Studie basiert auf vergleichender Morphologie, Morphometrie, Funktionsmorphologie und Ontogenese des Turbinalskeletts des Hundes. 32 mazerierte Schädel und vier histologische Schnittserien, die elf Rassen umfassen, decken verschiedene Schnauzenlängen (brachyzephal, mesozephal, dolichozephal; gemäß zwei Längenindices), funktionale Gruppen (Spürhund, Windhund, Begleithund/Toy), und Zuchtverläufe (antike Reinrassigkeit mit konstantem Körperbau, moderne Modezucht mit wandelndem äußerem Erscheinungsbild) ab. Die Nasenhöhle der ausgewählten Schädel wurde mittels μCT gescannt und das Turbinalskelett zu einem virtuellen 3D-Modell rekonstruiert. Der Vergleich der Rassen erfolgte in der Anzahl olfaktorischer Turbinalien, in der Morphologie aller Turbinalien und der Lamina semicircularis, sowie deren Morphometrie und Ontogenese. Basierend auf morphologischen und ontogenetischen Mustern wurde eine neue Terminologie der Interturbinalien etabliert. Die Morphometrie beinhaltet die Messung der relativen Oberflächengröße (index turbinal surface area, IAT) und die Berechnung der Oberflächendichte (surface density, SDEN) und der Turbinalienkomplexität (turbinal complexity, TC). Zur Ermittlung des letztgenannten Parameters wurde eine neue morphometrische Anwendung entwickelt. Der ontogenetische Vergleich erfolgte unter Einbeziehung histologischer Schnittserien perinataler Hunde. Mazerierte Schädel dreier adulter Eurasischer Wölfe (Canis lupus lupus) dienten dem Außengruppenvergleich und repräsentierten als Urahn des Hundes den Grundplan, dem die Rassen gegenübergestellt wurden. Die Ergebnisse bestätigen frühere Studien bezüglich der artspezifischen Anzahl der Fronto- und Ethmoturbinalien: der Eurasische Wolf und alle untersuchten postnatalen Hunde haben jeweils drei. Weiterhin konnten zwei Typen von Interturbinalien unterschieden werden, nämlich vier prominente Interturbinalien, die in fast jedem Individuum präsent sind und ein homologes Muster zeigen, und zusätzliche Interturbinalien mit variabler intraspezifischer Morphologie. Generell haben dolichozephale Rassen eine erhöhte Anzahl zusätzlicher Interturbinalien, sodass die Gesamtzahl olfaktorischer Turbinalien bis zu 16 im Barsoi beträgt, wohingegen viele brachyzephale Hunde aufgrund fehlender zusätzlicher Interturbinalien und eines prominenten Interturbinale lediglich neun olfaktorische Riechmuscheln besitzen. Die Betrachtung der Ontogenese konnte einen Zusammenhang des Wachstums der respiratorischen und olfaktorischen Turbinalien und der Lamina semicircularis mit dem postnatalen Wachstum des Gesichtsschädels nachweisen. Der postnatale Wachstumsstopp der Gesichtsregion brachyzephaler Rassen wirkt sich direkt auf die Ethmoidalregion aus: Die Turbinalien beider funktionalen Bereiche bilden weniger akzessorische Lamellen aus, was zu einer Reduktion der drei morphometrischen Parameter IAT, SDEN und TC führt. Der Anstieg der Werte all dieser drei Parameter mit zunehmender Verlängerung der Schnauze belegt beim Hund eine Korrelation beider Variablen im Maxilloturbinale, den olfaktorischen Turbinalien und der Lamina semicircularis. Mit Hilfe der Perinatalstadien konnten plesiomorphe Muster, die in allen Individuen vorhanden sind (z.B. Spaltung des Ethmoturbinale I in zwei Laminae, Entwicklung des Processus uncinatus), von weniger gefestigten morphologischen Merkmalen unterschieden werden, deren Reduktion vorwiegend im Zusammenhang mit Brachyzephalie erfolgt (z.B. Processus anterior der Lamina posterior des Ethmoturbinale I, caudaler Fortsatz des Frontoturbinale 1 und 2 im Frontalsinus aufgrund der Reduktion des letzteren). Der treibende Mechanismus hinter diesen und weiteren Variationen sind offensichtlich Mutationen an Genloci, die ontogenetische Prozesse steuern: der in anderen Studien bereits nachgewiesene postnatale Wachstumsstopp in den Dermalknochen des Gesichts brachyzephaler Rassen scheint in gleicher Weise die Ethmoidalregion zu beeinflussen. Die Ergebnisse der aktuellen Studie dienen als Grundlage für die Bewertung, inwiefern die Morphologie, Morphometrie und Ontogenese der knöchernen Turbinalien mit physiologischen, genetischen, neurobiologischen und phylogenetischen Mustern in Zusammenhang stehen. Des Weiteren ist der Vergleich der Wachstumsmuster des Hartgewebes zu jenen des Weichgewebes (d.h. des Nasenepithels) erforderlich.