У эмбриона позвоночного ромбомер — это временно разделенный сегмент развивающейся нервной трубки в области заднего мозга ( нейромера ) в области, которая в конечном итоге станет ромбоэнцефалоном . Ромбомеры выглядят как ряд слегка суженных вздутий в нервной трубке, каудальнее цефалического изгиба . В эмбриональном развитии человека ромбомеры присутствуют к 29 дню.
На ранних стадиях развития нервной трубки происходит сегментация нейроэпителия . Эта сегментация превращается в ряд нейромеров. Каждый сегмент называется ромбомером. Каждый ромбомер развивает свой собственный набор ганглиев и нервов. Позже в развитии ромбомеры образуют ромбоцефалон, который образует задний мозг у позвоночных. Каждый ромбомер выражает свой собственный уникальный набор генов, который, как было показано, влияет на постнатальное ритмическое поведение, такое как дыхание, жевание и ходьба. На мышах было показано, что формирование рисунка нервной трубки в ромбомерные сегменты может регулировать пространственный и временной вид центрального генератора рисунка . Ромбомеры считаются самоуправляемыми единицами развития, при этом определенные аспекты фенотипа ромбомера определяются во время формирования. Каждый ромбомер выражает уникальную комбинацию факторов транскрипции, и поэтому каждый ромбомерный домен имеет свои собственные отличительные молекулярные сигналы, которые теоретически могли бы устанавливать специфичные для ромбомера паттерны нейронной дифференциации. Некоторые из этих нейронных популяций были идентифицированы у некоторых видов. Многие из зрелых ядер заднего мозга могут занимать либо одну, либо несколько областей, полученных из ромбомера. Было показано, что вестибулярные ядра охватывают все ромбомеры, некоторые из них коррелируют с границами ромбомеров. Используя фосфорилированную ретроградную маркировку, было показано, что вестибулоспинальные группы соответствуют в основном отдельным ромбомерам, а не нескольким ромбомерным областям. Также было показано, что вестибулоокулярные группы могут относиться либо к одному, либо к нескольким ромбомерам, при условии, что ромбомеры тесно связаны. Сделан вывод о том, что сегментация заднего мозга способствует тому, как аксоны проецируются в вестибулярном комплексе. Наконец, было показано, что вестибулоспинальные нейроны дифференцируются в трех соседних ромбомерах, а именно r4, r5 и r6. В то время как вестибулоокулярные нейроны дифференцируются в семи, наименее дифференцированные в f4. Метод этой дифференциации до сих пор неизвестен, при этом многие типы белков участвуют как в миграции, экспрессии белков, так и в росте нейронов и апоптозе. Типы рецепторов также могут изменять свою активность, чтобы быть специфичными для клеток.
Ромбомеры определяют закономерность последующего созревания ромбовидного мозга в его конечные части. Конечные части определяются как мост , мозжечок и продолговатый мозг .
Клетки, которые образуют границы ромбомерных выступов, размножаются гораздо быстрее, чем те, что находятся в середине. [1] Клеткам очень трудно переходить из одного ромбомера в другой, поэтому клетки, как правило, остаются в пределах одного ромбомера. Каждый ромбомер в конечном итоге дает начало одному или нескольким типам вестибулярных нейронов. Однако это не обязательно зависит от сегментации. Двигательные нервы формируются в зависимости от ромбомерных паттернов, но каждый нерв может исходить как из одного ромбомера, так и из пары ромбомеров, которые являются соседями. Кроме того, считается , что правильное развитие различных глоточных дуг зависит от взаимодействия с определенными ромбомерами. С помощью этих механизмов клетки нервного гребня , например, из каждого ромбомера дают начало различным ганглиям или кластерам нейронов. Многие из этих ромбомеров были картированы в определенной степени у видов, отличных от человека. Например, было показано, что r2 дает начало тройничному ганглию, в то время как r4 дает начало коленчатому ганглию, а также спиральному ганглию и ганглию Скарпы. r5 и r6 дают начало отводящему нерву, а нижняя часть r6 и верхняя часть r7 дают начало каменистому ганглию. Наконец, граница r7, которая не контактирует с r6, дает начало яремному/узловатому ганглию. Однако эти сопоставления не могут применяться к кросс-видам.
Исследования показали, что количество нейронов в заднем мозге увеличивается по мере эволюции вида. Например, у мыши нейронов больше, чем у слизняка, а у шимпанзе нейронов больше, чем у мыши. Можно предположить, что отчасти это происходит из-за необходимости адаптироваться к увеличению размера вида. Кроме того, у некоторых видов ромбомеры явно сегментированы и остаются такими в течение длительного периода времени. У других видов сегментация в конечном итоге исчезает. Например, ромбомеры можно обнаружить с помощью световой микроскопии у мышей линии Swiss/Webster до эмбрионального дня (E)10.5, но они исчезают на E11.5. Многие ромбомеры, если сравнивать между видами, не формируются в одни и те же вещи. Например, r2 и r3 были сопоставлены с мотонейронами тройничного нерва у многих видов. Однако не у всех видов есть эта корреляция.
Каждый ромбомер имеет свой собственный набор рецепторов, и одни и те же рецепторы могут вызывать разные действия. Например, одно исследование показало, что существуют белки, называемые Gli1, Gli2 и Gli3, которые влияют на развитие вентрального заднего мозга, а также требуются для развития мотонейронов и правильного нейронного паттерна в заднем мозге. Однако, насколько они важны и каковы их конкретные роли, было неясно. Путем мутации белков Gli2 и Gli3, которые были специально изучены, было обнаружено, что Gli2 и Gli3 содержат как домены активации, так и репрессии, в то время как Gli1 имел только домены активации, которые были полностью транскрипционными. Также было обнаружено, что Gli2 является более сильным активатором, в то время как Gli3 является сильным репрессором. Gli2 и Gli3 имели перекрывающиеся функции, которые касались паттернирования вентрального спинного мозга, что было важно для правильной организации и формирования мотонейронов. Это было показано, когда мутация белка Gli3 показала лишь небольшое снижение экспрессии Olig2, в то время как при мутации белка Gli2 экспрессия Olig2 не была обнаружена. Olig2 обычно экспрессируется в вентральной области нервной трубки. Мутации в белке Gli2 вызывают более серьезные повреждения вентральной структуры заднего мозга, чем спинного. Это показывает, что Gli2 выполняет разные функции в заднем мозге, которые Gli3 не может заменить. Gli2 и Gli3 в развивающемся заднем мозге также имеют разные функции в передаче сигнала Shh (sonic hedgehog). Это вызвано дифференциальной модуляцией экспрессии генов, которая специфична для каждого ромбомера. Наконец, исследования показали, что в ромбомере 4 вентральная структура меньше затронута мутацией Gli2. Это показывает, что этот конкретный ромбомер имеет разные потребности в белках Gli.
Ген Hox также, как было показано, играет роль в формировании черепно-двигательных нервов. Было показано, что судьба ромбомера зависит от дифференциальной экспрессии гена Hox. При мутациях в гене Hox черепно-двигательные нервы формировались в других местах, чем обычно, или просто не формировались вообще. Одной из возможностей этого было то, что ген Hox каким-то образом участвовал в регионализации в нервной трубке, и что экспрессия этого конкретного гена коррелировала с объемом произошедшей миграции. Однако никакой корреляции обнаружено не было. Многие исследования показали небольшие количества корреляции, но были и равные количества, показывающие полное отсутствие корреляции. Количество произошедшей корреляции было недостаточно, чтобы сделать конкретный вывод. Однако это могло произойти, потому что исследования извлекали только точки данных из ограниченного окна времени. Другая возможность этого отсутствия корреляции заключается в том, что большинство исследований были основаны на гибридизации in situ, которая отображает только расположение транскриптов, а не белков. Третья возможность заключается в том, что исследования были сосредоточены на ромбомерах как на ориентирах и, следовательно, коррелировали домены экспрессии с ними. Хотя исследования не смогли показать связь между близкородственными нейронами из ромбомеров и экспрессией гена Hox, ген Hox по-прежнему является важным фактором, когда дело доходит до спецификации нейронального фенотипа. Ген Hox был выражен рострокаудально в той же последовательности, которая физически находилась внутри хромосомы, и его транскрипция регулировалась ретиноевой кислотой. Ген Hox был идентифицирован у всех позвоночных, и количество экспрессируемых генов Hox увеличивается по мере того, как виды позвоночных все дальше расходятся с видами беспозвоночных. Определенные группы нейронов связаны с экспрессией гена Hox. На уровне r4 предполагается, что Hoxb1 придает идентичность клеткам ромбомера 4.
Также было показано, что ромбомеры способны влиять на положение, в котором растут ретикулоспинальные и бранхиомоторные нейроны. Каждый ромбомер может вызывать повторяющийся рисунок специфичных для ромбомера нейронов, включая ретикулоспинальные нейроны, многие из которых имеют такие общие свойства, как медиолатеральное расположение. Ретикулоспинальные нейроны также занимают разные области в ромбомерах у разных видов. В одном исследовании было обнаружено, что ретикулярные нейроны в заднем мозге миноги, которые включали истмические, бульбарные и маутнеровские клетки , развивались в консервативных специфичных для ромбомера позициях, подобных таковым у данио-рерио. [2] Однако у разных видов ретикулоспинальные нейроны занимают разные области в ромбомерах. Также было показано, что тройничные и лицевые двигательные ядра не коррелируют хорошо с границами ромбомера у миноги.
Несколько исследований показали, что фактор роста фибробластов (FGF) секретируется на границе среднего мозга и ромбомера 1. Эти белки инструктируют поведение клеток в окружающей нейроэктодерме. Однако механизм, лежащий в основе интеграции сигнала и последующих действий, остается неясным. Исследования показали, что рецепторы FGF, или FGFR, действуют частично избыточно, поддерживая выживание клеток в дорсальной эктодерме, способствуя идентичности тканей r1 и регулируя выработку популяций вентральных нейронов, включая дофаминергические нейроны среднего мозга. У мышей, в то время как мутации fgfr2 и fgfr3 не мешали развитию среднего мозга и r1, мутация fgfr1 вызывала дефекты среднего мозга и r1.
Исследования показали, что самые ранние серотонинергические нейроны появились в передних ромбомерах. Самая дорсальная группа нейронов произошла из ромбомера 1, а задний шов, который формируется из ромбомеров, как полагают, происходит из задних ромбомеров на несколько более поздней стадии эмбрионального развития.
Ромбомеры также приводят к образованию вестибулярных проекционных нейронов, которые, вероятно, образуются относительно рано на стадиях развития ствола мозга.
В ромбомерах члены семейства факторов транскрипции T-box связаны с правильным развитием мигрирующих клеток. [3] Во время развития заднего мозга было показано, что тела клеток тройничного нерва мигрируют дорсолатерально в пределах ромбомеров 2 и 3, в то время как лицевые клетки перемещаются дорсолатерально в r5 около поверхности мягкой мозговой оболочки. Нейроны, которые образуют лицевое ядро, производятся в r4, но перемещаются вдоль переднезадней оси заднего мозга в r6, после чего перемещаются дорсолатерально. Вестибулоакустические нейроны также производятся в r4. Однако у них есть уникальный паттерн миграции, при котором их тела клеток пересекают среднюю линию на контралатеральную сторону. Из этого можно сделать вывод, что несколько подклассов двигательных нейронов производятся в определенных местах в развивающемся заднем мозге. Все они связаны экспрессией Tbx20. Двигательные нейроны, произведенные в заднем мозге, имеют селективную экспрессию Tbx20. При мутациях Tbx20 паттернирование областей ромбомеров и двигательных нейронов было нормальным, когда они были условными мутациями, а нейроны были постмитотическими. Мутанты Tbx20 до митотического состояния показали множество недостатков миграции клеток, включая аномальную дорсолатеральную миграцию тройничных клеток, остановку тангенциальной миграции лицевых нейронов и отсутствие трансмедианной миграции вестибулоакустических клеток. [3] Однако двигательные нейроны заднего мозга, лишенные Tbx20, сохранили способность распространять нейриты на периферию. [3] Полное устранение Tbx20 не приводит к переключению тройничных и лицевых нейронов на подъязычные нейроны. Было показано, что лицевые нейроны мигрируют тангенциально от r4 до r6, в то время как тройничные нейроны, которые производятся в r2, мигрируют дорсолатерально, а не радиально. Вестибулоакустические клетки мигрируют вдоль средней линии в r4 контралатерально в заднем мозге. Tbx20, по-видимому, имеет контекстно-зависимую транскрипционную активность. Это означает, что он способен контролировать различные программы миграции клеток, специфичные для различных типов клеток. Он должен быть способен регулировать эти паттерны различными способами.
Хотя было проведено много исследований ромбомеров, где ромбомеры были привиты кросс-видам, может возникнуть неточность. Одним из возможных источников является повреждение ромбомера во время процесса удаления, транспортировки или прививки. Другим возможным источником является смешивание клеток разных видов после прививки ромбомеров, что может привести к загрязнению одного ромбомерного региона другим, скорее всего, из соседних ромбомеров.