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  因為目前只有發現厚頭龍的顱骨,所以不清楚厚頭龍的生理結構。厚頭龍因為大型的骨質顱頂而著名,厚度可達25釐米,可安全地保護腦部。顱頂後方有骨質瘤塊,而口鼻部有往上的短骨質角。這些短角可能很鈍,並不銳利。  厚頭龍的頭部短,上有大型、圓形眼窩,朝向前方,顯示厚頭龍具有良好的視力,可能具有立體視覺。厚頭龍的嘴尖小,具有喙狀嘴。牙齒小,齒冠呈葉狀。頸部成S或U形彎曲。  厚頭龍可能是二足恐龍,而且是顱頂最大的恐龍。從其他厚頭龍下目恐龍推測,厚頭龍身長約4.5米,體重約450公斤,並擁有相當粗短的頸部、短前肢、長後肢、龐大的身體、以及可能由骨化肌腱支撐的尾巴。

  早在1850年代,便已發現厚頭龍的化石。在1859年或1860年,費迪南德·範迪威爾·海登(Ferdinand Vandiveer Hayden)在北美洲西部的密西西比河源頭附近發現一個破碎化石,該地區現在屬於蒙大拿州東南部的蘭斯組。在1872年,約瑟夫·萊迪(Joseph Leidy)提出這個標本(編號ANSP 8568)是個背部鱗甲,屬於某種爬行動物或是類似犰狳的動物。直到一個世紀後,唐諾·貝爾德(Donald Baird)重新研究這塊骨頭,才發現這是塊鱗狀骨,後方具有骨質瘤,並屬於厚頭龍。因為這塊骨頭早已命名為"Tylosteus",早於厚頭龍的命名,根據國際動物命名法規,"Tylosteus"應具有優先權。貝爾德申請厚頭龍這名稱繼續使用,因為"Tylosteus"已經有長達50年沒有被使用,而且化石無法有效檢驗,相關地質學與地層學資訊也少,因此申請成功。但爭議尚未結束,在2006年,羅伯特·蘇利文(Robert Sullivan)提出這個標本更類似龍王龍,而非厚頭龍。在2007年有研究提出,龍王龍是厚頭龍的幼年個體。  模式種懷俄明厚頭龍是目前唯一的種,是由查爾斯·懷特尼·吉爾摩爾(Charles W. Gilmore)在1931年建立。吉爾摩爾將一個部分發現於懷俄明州奈厄布拉勒郡蘭斯組的顱骨(編號USNM 12031),建立為傷齒龍的新種,懷俄明傷齒龍("T. wyomingensis")。在當時,傷齒龍僅被發現牙齒化石,而且與劍角龍的牙齒類似,所以傷齒龍與劍角龍被視為同種動物。當時的厚頭龍科各屬都被歸類於傷齒龍科,直到1945年,查爾斯·斯騰伯格(Charles Mortram Sternberg)才修正這個錯誤。 在1943年,巴納姆·布郎(Barnum Brown)與埃裡希·馬蘭·史萊克(Erich Maren Schlaikjer),根據新發現的較完整化石,建立了厚頭龍屬,並將原有的懷俄明傷齒龍,改列為厚頭龍的模式種。他們同時建立了谷氏厚頭龍("P. grangeri")與瑞內瑪厚頭龍("P. reinheimeri")。谷氏厚頭龍的化石(編號AMNH 1696)是個接近完整的顱骨,發現於蒙大拿州卡特郡耶卡拉卡鎮的海爾河組地層。瑞內瑪厚頭龍的化石(編號DMNH 469)是個顱頂與少數相連碎片,發現於南達科他州科森郡的蘭斯組地層。自從1983年後,後兩個種被視為懷俄明厚頭龍的異名。

  厚頭龍下目的名稱來源於厚頭龍,厚頭龍下目是個草食性恐龍的大型演化支,生存於晚白堊紀的北美洲與亞洲。某些特徵顯示,儘管厚頭龍是二足動物,但牠們與角龍下目的親緣關係較近,而離鳥腳下目較遠。  厚頭龍是厚頭龍下目最著名的物種,但並非儲存最好的一屬。厚頭龍下目演化支還包括:狹盤龍、皖南龍、雅爾龍、飾頭龍、劍角龍、平頭龍、膨頭龍、圓頭龍、傾頭龍。在厚頭龍族中,與厚頭龍最親近的屬是龍王龍與冥河龍,但牠們可能是厚頭龍的未成年體。

  龍王龍可能是個顱頂與頭角發展未完全的冥河龍或厚頭龍,或者是冥河龍或厚頭龍的未成年或雌性個體。在2007年度的古脊椎動物學會會議中,蒙大拿州立大學的傑克·霍納(Jack Horner)提出新理論,指出龍王龍與冥河龍是厚頭龍的幼年個體。蒙大拿州立大學的傑克·霍納(Jack Horner)等人研究了龍王龍唯一標本的顱骨,發現該化石可能是冥河龍的幼年個體。此外,他還指出冥河龍與龍王龍兩者有可能都是厚頭龍的幼年個體。在2009年,傑克·霍納與M.B. Goodwin發表正式研究,比較這三個物種的顱頂形狀、尖刺與骨瘤的分佈。傑克·霍納等人表示,冥河龍、龍王龍的標本都是幼年個體,而厚頭龍的標本則都是成年個體。另外,這三個屬生存於相同時期的相同地區,使這些科學家更推測牠們是同一物種的不同成長階段,而在成長過程中,尖刺、骨瘤停止成長、顱頂增厚,形成厚頭龍的顱頂形狀。在2010年,尼克·朗裡奇(Nick Longrich)等人也提出類似的研究結果,他們認為顱頂平坦的厚頭龍類,其實是圓顱頂的厚頭龍類的幼年個體,平頭龍、飾頭龍其實都是其他屬的幼年個體。

  幾乎所有的厚頭龍化石是發現於美國西部的蘭斯組與海爾河組。厚頭龍與龍王龍、冥河龍等厚頭龍類共同生存。其他的恐龍則包含:奇異龍、鴨嘴龍科的埃德蒙頓龍與大鴨龍、角龍科的三角龍與牛角龍、甲龍科的甲龍、以及獸腳類的似鳥龍、馳龍、暴龍。  科學家一度將厚頭龍與牠的近親,比喻為二足恐龍中的大角羊或麝香牛。厚頭龍類被認為在求偶季節時,雄性個體會以頭互相撞擊,以及決定誰佔優勢,可與群體內的雌性個體交配。厚頭龍類也被認為以顱頂抵抗掠食者。然而,現在認為厚頭龍類不可能將顱頂使用在這些用途上。  成年個體的頭骨無法適當吸收衝擊力道,所以不能承受壓力與撞擊。同時,厚頭龍頭顱骨沒有證據顯示有傷疤,或其他損傷。此外,頸椎與前段背椎顯示頸部呈S形或U形彎曲,而非筆直。最後,圓形的顱骨會減少頭部撞擊時的接觸面,而使撞擊時頭部偏離。  更有可能的是,厚頭龍與其他厚頭龍科具有物種內的側面碰撞行為。依此理論,一隻個體會與對手平行排列,或是面對面,使用頭部裝飾物來威嚇對方。如果威嚇無效,厚頭龍會彎下頭部,以頭部側面撞擊對手。大部分厚頭龍類的頭部相當寬,可以保護內部重要器官,這特徵支援了這個假設。側面碰撞理論最初是由漢斯·戴爾特·蘇伊士(Hans-Dieter Sues)在1978年提出,而在1997年由肯尼思·卡彭特(Kenneth Carpenter)進一步擴充。  在2012年的一份研究,發現厚頭龍的一個標本具有疑似碰撞受傷的病理。該研究也提出,其他厚頭龍標本的原本被鑑定為骨頭吸收、化石埋葬時被碰撞的痕跡,其實都是類似的碰撞行為導致的。

  到目前為止,科學家還不清楚這些恐龍的食性。牠們的非常小型、有脊牙齒,使牠們不能向同時代其他恐龍般,有效地磨碎堅硬、纖維構成的植物。厚頭龍類被推測以樹葉、種子、水果、以及昆蟲等混合食性為食。牠們銳利、鋸齒狀的牙齒可以非常有效率地切割植物。
厚頭龍屬(屬名:"Pachycephalosaurus")又名腫頭龍,在希臘文意為“有厚頭的蜥蜴”,屬於厚頭龍科,生存於晚白堊紀馬斯特裡赫特階的北美洲,和霸王龍、三角龍分佈重合。化石已在美國的蒙大拿州、南達科他州、以及懷俄明州等地發現。厚頭龍是草食性或雜食性恐龍,目前僅發現一個頭顱骨與少數顱頂部分。厚頭龍只有一個種,懷俄明厚頭龍("P. wyomingensis")。同樣發現於北美洲西部的"Tylosteus",被視為厚頭龍的異名。