[논문 리뷰] 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)|2013. 04. 09.

Forensic Anthropology and Bioarchaeology Studies참고 문헌 56인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 뼈 콜라겐 질소 동위원소 비율(δ¹⁵N)을 사용하여 고고학적 청소년에서 수유 중단 연령을 정량적이고 확률적으로 재구성할 수 있도록 해주는 오픈소스 R 패키지인 WARN을 소개한다. 새로 추정한 청소년 뼈 콜라겐 갱신율과 근사 베이지안 계산(ABC) 프레임워크를 통합함으로써 WARN은 수유 시작/종료 연령, 어머니에서 유아로의 δ¹⁵N 증가량, 수유 식품의 δ¹⁵N 값과 같은 핵심 매개변수에 대해 후행 확률과 신뢰구간을 제공하여 이전의 시각적 평가에 기반한 주관성 문제를 해결한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고고학적 청소년 뼈 콜라겐 δ¹⁵N 데이터로부터 수유 중단 연령을 추정하는 객관적이고 정량적인 방법의 부족을 해결하기 위해.
• 이전 모델들이 청소년 뼈 콜라겐 갱신율을 忽시하고 핵심 매개변수를 고정된 값으로 처리한 한계를 극복하기 위해.
• 수유 매개변수에 대한 후행 확률과 신뢰구간을 추정함으로써 불확실성을 통합하는 통계적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 연구자들이 고고학적 인구의 횡단적 δ¹⁵N 데이터를 분석할 수 있도록 재현 가능하고 오픈소스인 도구(WARN)를 제공하기 위해.

제안 방법

• 조직 수준 뼈 대사 연구 데이터를 바탕으로 청소년 뼈 콜라겐 갱신율의 시간적 변화를 재추정하였다.
• 연령에 따라 달라지는 갱신율을 고려한 청소년 뼈 콜라겐 내 δ¹⁵N 변화의 동적 모델을 수립하였다.
• 어머니에서 유아로의 δ¹⁵N 증가량과 수유 식품의 δ¹⁵N 값을 추정할 수 있는 미지수로 변수 매개변수를 통합하였다.
• 근사 베이지안 계산(ABC)을 적용하여 수유 시작/종료 연령, 증가량, 수유 식품 δ¹⁵N에 대한 후행 분포와 신뢰구간을 계산하였다.
• 결과 해석을 위한 시각화 도구를 갖춘 사용자 친화적인 R 패키지(WARN)로 모델을 구현하였다.
• 스피탈필즈 고고학적 인구 데이터셋을 활용하여 모델을 검증하였으며, 핵심 매개변수에 대해 일관된 후행 확률 분포를 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스피탈필즈 인구 집단에서 수유 시작 및 종료 연령의 범위는 무엇이며, 이러한 추정치의 확률은 얼마인가요?
• RQ2 어머니의 조직에서 유아의 조직으로의 δ¹⁵N 증가량은 어느 정도이며, 이 증가량의 신뢰구간은 무엇인가요?
• RQ3 연구된 인구에서 수유 식품으로만 합성된 콜라겐의 δ¹⁵N 값은 추정되며 얼마인가요?
• RQ4 연령에 따라 달라지는 뼈 콜라겐 갱신율은 수유 중단 연령 추정의 정확도에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 이전의 주관적 또는 점추정 기반 방법에 비해 모델은 수유 관행 재구성에 얼마나 향상되었나요?

주요 결과

• 모델은 스피탈필즈 인구 집단에서 수유가 0.0~1.2세 사이에 시작되고 1.2~2.0세 사이에 종료될 가능성이 95.6%로 추정되었다.
• 어머니에서 유아로의 δ¹⁵N 증가량이 1.6–2.4‰ 범위에 속할 확률은 0.967이었다.
• 수유 식품에서 유래한 콜라겐의 δ¹⁵N 값이 12.4–13.0‰ 범위에 속할 확률은 0.975였다.
• 모델은 연령에 따라 달라지는 뼈 콜라겐 갱신율을 통합함으로써, 갱신율을 일정하다고 가정하는 모델에 비해 수유 중단 연령 추정의 정확도를 크게 향상시켰다.
• 패키지는 후행 확률 분포를 통해 전체 불확실성 정량화를 제공하여 연구자들이 재구성된 수유 매개변수의 신뢰성을 평가할 수 있도록 했다.
• WARN R 패키지는 다양한 고고학적 및 화석인류학적 맥락에서 청소년 δ¹⁵N 데이터의 재현 가능하고 투명하며 통계적으로 강건한 분석을 가능하게 한다.