《Journal of Anatomy》：How do forelimb long bones adapt in rhinoceroses? An in-depth examination of their microanatomy
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犀牛作为现存第二重的陆生哺乳动物，其骨骼高度适应于承重。然而，这些仍然能够奔跑的动物的四肢并不具有更重的重力支撑类群（如大象）的柱状组织结构。在此背景下，研究四肢骨骼如何满足其功能需求，可以更好地理解骨骼如何适应生物力学约束。本研究对五种现代犀牛的三块前肢长骨
犀牛作为现存第二重的陆生哺乳动物，其骨骼高度适应于承重。然而，这些仍然能够奔跑的动物的四肢并不具有更重的重力支撑类群（如大象）的柱状组织结构。在此背景下，研究四肢骨骼如何满足其功能需求，可以更好地理解骨骼如何适应生物力学约束。本研究对五种现代犀牛的三块前肢长骨的内部结构进行了详细调查。为此，研究采用了两种方法的结合，以深入描述和比较整个骨骼体积内的微解剖学组织：二维纵切面和横切面，以及一种新的三维方法，用于可视化和量化松质骨（trabecular bone）的骨体积分数（BVF）和各向异性（anisotropy），以及整个骨骼的密质骨（compact bone）分布。通过将微解剖特征与通过肌肉骨骼建模（musculoskeletal modelling）获得的休息状态犀牛前肢长骨所受的力进行比较，本研究旨在强调每块骨骼内部以及这三块形状和功能各异的长骨之间的微解剖结构在多大程度上反映了施加于其上的生物力学应力。该样本在研究此类大型动物的微解剖学方面规模空前。本研究原创性地展示了微解剖结构如何在骨骼内部、不同肢体骨骼之间以及物种之间根据施加在这些骨骼上的力而变化，从而增进了研究人员对骨骼形态–功能关系（bone form–function relationships）的理解。本研究强调了作用于骨骼的力与其微解剖结构之间的强烈对应关系，从而凸显了详细研究骨骼微解剖学对于增进研究人员对灭绝类群肌肉骨骼适应性（musculoskeletal adaptation）的理解，进而提升研究人员古生态推断（palaeoecological inferences）的巨大潜力。
**论文解读：犀牛前肢长骨微解剖学与生物力学适应**
**研究背景与问题**
大型陆生脊椎动物（如大象）的骨骼呈现特殊适应以减轻应力，包括较直的四肢和更强壮的骨骼。犀牛是现存第二重的陆生哺乳动物，且能奔跑，其前肢仍保留弯曲四肢，而非柱状结构，导致肌肉在机械劣势下工作。此前对犀牛骨骼形状和肌肉适应已有较多研究，但微解剖学（即骨组织在骨骼内部的分布）知之甚少，仅少量横切面和纵切面显示较厚皮质和充满髓腔的松质骨。由于大型动物CT扫描的难度（重量、扫描时间、分辨率限制），目前缺乏对整个骨骼内部微解剖变异（如皮质厚度沿骨干变化、松质骨各向异性和密度与肌肉附着区及关节接触区的关系）的系统研究。为理解犀牛在支持体重与运动需求之间的权衡，有必要利用高分辨率CT和三维（3D）定量方法，系统分析前肢长骨微解剖与生物力学应力之间的对应关系。
**研究内容与意义**
研究人员对23个犀牛标本（涵盖全部五种现生犀牛物种：白犀*Ceratotherium simum*、黑犀*Diceros bicornis*、印度犀*Rhinoceros unicornis*、爪哇犀*Rhinoceros sondaicus*、苏门答腊犀*Dicerorhinus sumatrensis*）的69块前肢长骨（肱骨、桡骨、尺骨）进行了X射线显微CT（micro-CT）扫描（体素大小67–156 μm）。结合二维（2D）虚拟切片（纵切、横切、冠状面、矢状面）和一种新的3D映射方法，量化整个骨骼内部的骨体积分数（BVF）和各向异性（anisotropy），并与基于肌肉骨骼模型（Etienne et al. 2024）估算的休息态犀牛前肢骨骼所受力进行比较。该研究首次揭示了微解剖结构在骨骼内部、不同骨骼之间及物种之间的变异如何反映所受的生物力学应力，证实了骨骼微解剖与力学作用的强对应关系，从而增进了对骨骼形态–功能关系的理解，并为利用骨微解剖推断灭绝类群的肌肉骨骼适应性和古生态提供了重要依据。论文发表在《Journal of Anatomy》。
**关键技术与方法**
- **样本来源**：69块骨骼来自五个机构（MNHN、NHM、RBINS、NMB），涵盖全部现生犀牛物种，每个物种3–6个标本。部分为圈养或野生来源。
- **2D切片分析**：使用VGSTUDIO MAX软件生成虚拟切片（横断面通过骨化中心，冠状面和矢状面通过髓腔中线），比较个体内、种内和种间差异。年龄分类基于骨骺融合状态。
- **3D骨体积分数（BVF）和各向异性（anisotropy）映射**：每个物种选取一个成年雄性（除爪哇犀为性别未知）标本的15块骨骼，使用Dragonfly软件的BoneAnalysis插件，在均匀间隔的球形感兴趣区域（ROI）内计算BVF（校正边缘效应）和各向异性（采用Surface normals算法，输出0–1值及方向向量）。ROI间距基于肱骨平均小梁厚度与间距之和，半径设为两倍间距。最终生成包含ROI位置、BVF、各向异性值及方向的微解剖CSV表，在R中过滤（BVF<0.85定义为松质骨），可视化最各向异性（前25%）的ROI向量。
- **力学比较**：与Etienne et al.（2024）建立的白犀休息态肌肉骨骼模型所估计的关节反力和肌肉张力进行对比。
**研究结果**（保留原文小标题）
**3.1 肱骨（Humerus）**
- **3.1.1 2D切片**：骨化中心位于骨干远端约3/4处；皮质在骨干最厚，呈沙漏形，向干骺端逐渐变薄；内侧皮质较外侧厚。松质骨在各物种中均填充髓腔，但苏门答腊犀保留少量空腔。肱骨头、肱骨滑车内侧及二头肌沟下方可见显著的各向异性小梁，方向与接触面或肌肉拉力一致。骨干近骨化中心处小梁密度和方向性最低。
- **3.1.2 3D映射**：白犀肱骨显示高BVF区通常伴高各向异性，对应高受力区。识别出多组各向异性小梁：a组（肱骨头软骨下至厚皮质）、g组（内侧滑车软骨下至皮质）、d组（冈上肌和冈下肌附着区）、h组（外侧上髁尺侧腕屈肌附着）、i组（内侧上髁屈肌群）、f组（胸浅肌附着）、b和j组（压缩性小梁）。肱骨微解剖最复杂，反映其承受最多样化肌肉力和最大总力。种间差异较小：黑犀小梁方向更倾斜；苏门答腊犀内侧滑车下小梁多方向性，且外侧上髁不发达。
**3.2 桡骨（Radius）**
- **3.2.1 2D切片**：骨化中心位于骨干近端1/3处；皮质在桡骨结节下增厚（除苏门答腊犀）。松质骨各向异性高且均匀，小梁主要沿近远中轴定向。近端骨化中心下方小梁从肱骨接触面辐射至皮质。远端干骺端小梁方向与肢体垂直轴一致，而非桡骨长轴。
- **3.2.2 3D映射**：桡骨微解剖较简单，几乎所有ROI各向异性方向均为近远中向。高BVF集中在近端内侧接触面，形成a组（从肱骨接触面至厚皮质），外侧b组各向异性较低。骨干远端三分之二BVF较均匀。二头肌拉力未直接关联小梁方向，因小梁呈板状提供多方向抵抗。种间差异少：苏门答腊犀和印度犀远端外侧小梁各向异性更明显。
**3.3 尺骨（Ulna）**
- **3.3.1 2D切片**：骨化中心位于骨干与鹰嘴之间；皮质在骨化中心处最厚，尤其是鹰嘴尾部。松质骨充满髓腔。鹰嘴尾部小梁沿后缘定向（张力组），头部小梁沿前缘定向（压缩组），两组在尖端交叉。肱骨接触面下方小梁垂直定向。骨干中部有一组小梁从内侧向外侧弯曲，呈弓形。
- **3.3.2 3D映射**：尺骨微解剖主要反映肱三头肌拉力：a组（鹰嘴后缘张力性小梁）、b组（鹰嘴前缘压缩性小梁）、d组（骨干尾部小梁，延续a组）、e组（骨干外侧小梁，可能受腕关节反力压缩）、f组（桡骨远端接触面方向小梁）。种间差异小：亚洲犀（印度犀、爪哇犀）骨干尾部皮质较薄，a组和d组连续；苏门答腊犀由于尺骨横径较小，肱骨接触面下小梁更垂直。
**总结与讨论**
**共同适应高力度**：所有犀牛前肢长骨骨干皮质极厚（尤以骨化中心处最厚），形成沙漏状髓腔空间，增加力分布面积以降低应力。关节接触区皮质薄但松质骨BVF高、干骺端各向异性高，有效缓冲和传递关节反力。肌肉附着区（尤其是施加高张力肌肉如冈上肌、肱三头肌）产生各向异性小梁，将力从骨骺传递至厚皮质。**功能适应**：肱骨承受最多样化力，内侧较外侧承重更多；桡骨主要承重，小梁沿近远中向定向，远端小梁与肢体垂直轴对齐以抵抗运动中冲击；尺骨主要作为肱三头力臂，张力沿尾部小梁传递，压缩沿头部小梁。**种间差异**：苏门答腊犀（最轻，600–950 kg）皮质较薄、保留髓腔，肘关节活动度可能更大；黑犀（800–1300 kg）皮质最厚、BVF最高，原因不明（可能涉及遗传或争斗）；白犀和印度犀（>1300 kg）微解剖相似。**与其他大型脊椎动物比较**：马（380–600 kg）皮质较薄、髓腔未完全填充，但小梁分布相似；河马皮质厚度类似但更均匀；象皮质相对薄、无骨化中心增厚，因柱状肢轴减少弯曲力矩。**3D方法优势**：可识别2D切片中无法观察的多组各向异性小梁（如胸浅肌、尺侧腕屈肌附着下方），提高对力传递路径的理解，并揭示BVF与各向异性的协同变异。该方法提供密集的3D可视化（最高370万个ROI），结合过滤可精确描述小梁方向与强度。
**研究结论翻译**
研究人员在此首次聚焦于犀牛前肢与重度承重和运动相关的皮质骨和松质骨适应特征，样本量在此类大型动物中前所未有（69块骨骼经X射线CT完整成像）。研究人员还使用一种新方法可视化完整骨骼内各向异性和骨体积分数的3D分布，并将所有这些数据与肌肉解剖及一个肌肉骨骼模型进行比较。总体而言，与研究人员的假设一致，除最轻种类的所有犀牛前肢长骨都非常致密，充满松质骨。这增加了力所作用的骨组织总表面积，从而降低了骨骼承受的应力和骨折的可能性。最轻的物种苏门答腊犀（*Dicerorhinus*）呈现与其他犀牛不同的微解剖学特征，皮质较薄且表观骨体积分数较低。骨体积分数较高的区域通常各向异性也较高，反之亦然，这些区域出现在根据肌肉骨骼模型受力较高的部位下方。正如预期，小梁与其所承受的载荷方向一致。这在关节接触区尤为明显，研究在此类区域发现厚而各向异性且紧密排列的小梁，能够抵抗关节反力并将其传递至骨干的厚皮质。研究人员的3D分析得以确认并说明了皮质骨与松质骨之间强大的互补性。总体而言，除少数例外，各向异性区域在所有物种中相似，甚至与马中观察到的区域相似，这表明尽管力的强度差异很大，但因其奔跑适应呈现在力的分布相似。在*Diceros*中观察到极端致密性，但原因不明。总体而言，种内变异非常有限，很可能因为体重导致的高力度将犀牛的微解剖学限制为一种最优条件。研究人员与马的（有限）比较表明，马具有更多对奔跑的适应，例如在前伸肌附着区及韧带附着区有更多各向异性小梁，可能是因为它们需要强韧的韧带以在奔跑时稳定关节。相反，犀牛在关节和伸肌附着区承受更强烈的力，这可能掩盖了屈肌或韧带附着区引起的各向异性小梁。犀牛因其奔跑祖先和弯曲四肢，需要比象和蜥脚类恐龙更强壮的骨骼（具有相对较厚的皮质），后者可通过其柱状肢位等代偿。除了深入理解犀牛前肢骨在重度承重和运动能力下的微解剖适应外，本研究强调了微解剖特征与作用于骨骼的力之间的强对应关系，从而凸显了详细研究骨骼微解剖学对于增进研究人员对灭绝类群肌肉骨骼适应的理解乃至古生态推断的巨大潜力。
