[論文レビュー] WARN: an R package for quantitative reconstruction of weaning ages in archaeological populations using bone collagen nitrogen isotope ratios

Takumi Tsutaya, Minoru Yoneda|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2013

Forensic Anthropology and Bioarchaeology Studies参考文献 56被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、骨コラーゲン窒素同位体比（δ¹⁵N）を用いて考古学的若年非成人者の離乳年齢を定量的・確率論的に再構築できるオープンソースのRパッケージ、WARNを紹介する。新たに推定された若年非成人者の骨コラーゲンの代謝速度と近似ベイズ計算（ABC）フレームワークを統合することで、離乳開始・終了年齢、母体から乳児へのδ¹⁵N増幅量、離乳食のδ¹⁵N値といった主要パラメータの事後確率と信用区間を提供し、従来の視覚的評価に依存する主観的な手法の限界を克服する。

ABSTRACT

Nitrogen isotope analysis of bone collagen has been used to reconstruct the breastfeeding practices of archaeological human populations. However, weaning ages have been estimated subjectively because of a lack of both information on subadult bone collagen turnover rates and appropriate analytical models. Here, we present a model for analyzing cross-sectional delta-15N data of subadult bone collagen, which incorporates newly estimated bone collagen turnover rates and a framework of approximate Bayesian computation. Temporal changes in human subadult bone collagen turnover rates were estimated anew from data on tissue-level bone metabolism reported in previous studies. A model for reconstructing precise weaning ages was then developed and incorporating the estimated turnover rates. The model is presented as a new open source R package, WARN (Weaning Age Reconstruction with Nitrogen isotope analysis), which computes the age at the start and end of weaning, 15N-enrichment through maternal to infant tissue, and delta-15N value of collagen synthesized entirely from weaning foods with their posterior probabilities. A precise reconstruction of past breastfeeding and weaning practices over a wide range of time periods and geographic regions could make it possible to understand this unique feature of human life history and cultural diversity in infant feeding practices.

研究の動機と目的

• 考古学的若年非成人者の骨コラーゲンδ¹⁵Nデータから離乳年齢を推定する、客観的かつ定量的な手法の不足を解消すること。
• 従来のモデルが若年非成人者の骨コラーゲン代謝速度を無視し、主要パラメータを固定値として扱っていたという限界を克服すること。
• 不確実性を考慮した統計的フレームワークを構築し、離乳パラメータの事後確率と信用区間を推定すること。
• 研究者が横断的δ¹⁵Nデータを分析できる再現可能でオープンソースのツール（WARN）を提供すること。

提案手法

• 組織レベルの骨代謝研究データを再分析し、若年非成人者の骨コラーゲン代謝速度の時間的変化を再推定した。
• 年齢依存の代謝速度を反映する、若年非成人者の骨コラーゲン内δ¹⁵N変化の動的モデルを構築した。
• 母体から乳児へのδ¹⁵N増幅量と離乳食のδ¹⁵N値を未知数として扱い、推定の対象とした。
• 近似ベイズ計算（ABC）を適用し、離乳開始・終了年齢、増幅量、離乳食のδ¹⁵N値の事後分布と信用区間を計算した。
• 結果の解釈を支援する可視化ツールを備えた、使いやすいRパッケージ（WARN）として実装した。
• スパイトフィールズ考古学的集団データセットを用いてモデルを検証し、主要パラメータの事後確率分布が一貫していることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパイトフィールズ集団における離乳開始・終了年齢の範囲は何か。また、これらの推定値の確率はどの程度か。
• RQ2 母体組織から乳児組織へのδ¹⁵N増幅量はどれくらいか。この増幅要因の信用区間は何か。
• RQ3 研究対象集団において、完全に離乳食から合成されたコラーゲンのδ¹⁵N値は推定してどの程度か。
• RQ4 年齢依存の骨コラーゲン代謝速度を組み込むことで、離乳年齢推定の正確性はどの程度向上するか。
• RQ5 従来の主観的または点推定に基づく手法に比べ、本モデルは離乳行動の再構築においてどの程度改善をもたらすか。

主な発見

• モデルは、スパイトフィールズ集団において、離乳が0.0〜1.2歳の間に開始され、1.2〜2.0歳の間に終了したと推定する95.6％の同時事後確率を成功裏に推定した。
• 母体から乳児組織へのδ¹⁵N増幅量が1.6〜2.4‰の範囲にあるというマージナル事後確率は0.967であった。
• 離乳食由来のコラーゲンのδ¹⁵N値が12.4〜13.0‰の範囲にあるというマージナル事後確率は0.975であった。
• 年齢別に異なる骨コラーゲン代謝速度を組み込んだモデルは、一定の代謝速度を仮定するモデルに比べ、離乳年齢推定の正確性を顕著に向上させた。
• 本パッケージは、事後確率分布を用いた完全な不確実性の定量化を提供し、研究者が再構築された離乳パラメータの信頼性を評価できるようにした。
• WARN Rパッケージは、多様な考古学的・パラエントロポロジカルな文脈において、若年非成人者のδ¹⁵Nデータを再現可能で透明性があり、統計的に堅牢に分析することを可能にした。