The functionally-related signatures characterizing the endostructural organisation of the femoral shaft in modern humans and chimpanzee

Within the limits imposed by a number of developmental and rheological factors, endostructural arrangement of the appendicular skeleton is consistent with the functional patterns of stress, where cortical bone topographic thickness variation in long bones primarily reflects the nature, direction, intensity, and frequency of the locomotion-related biomechanical loads. By applying techniques of cross-sectional geometric analysis and 3D morphometric mapping to a (micro)tomographic record consisting of 12 modern human and 10 chimpanzee adult femora, we have shown two distinct patterns (functional “signatures”) of cortical bone arrangement along the shaft (20–80% portion of the biomechanical length) specifically associated to the bipedal (Homo) and the quadrupedal modes (Pan). In particular, the inner structure of the human femoral diaphysis is adapted to antero-posterior loadings and presents a greater rigidity against posterior bending, while that of Pan is characterized by the presence of strong medial and lateral bony reinforcements positioned above its femoral midshaft.

RésuméDans les limites imposées par des contraintes développementales et rhéologiques, l’agencement endostructural du squelette appendiculaire est en adéquation avec les patrons fonctionnels de stress, où les variations topographiques d’épaisseur du tissu cortical des os longs reflètent la nature, la direction, l’intensité et la fréquence des charges biomécaniques en relation avec le mode locomoteur. Grâce à des techniques d’analyse des propriétés géométriques de section et de cartographie morphométrique 3D appliquées au registre (micro)tomographique d’un échantillon de 12 fémurs d’humains modernes et dix de chimpanzés, nous avons mis en évidence deux modèles distincts (« signature » fonctionnelle) d’arrangement de l’os cortical le long de la diaphyse (portion 20–80 % de la longueur biomécanique), spécifiquement en relation à la bipédie (Homo) et à la quadrupédie (Pan). En particulier, la structure interne de la diaphyse fémorale des humains modernes est adaptée aux contraintes antéropostérieures et présente une grande rigidité contre la flexion postérieure, alors que celle de Pan est caractérisée par la présence d’importants renforcements osseux au niveau médial et latéral positionnés au-dessus de la mi-diaphyse.