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本文在果蝇蘑菇体神经回路中揭示了一个关键的神经稳态机制悖论。研究发现，当兴奋性Kenyon细胞（KC）被持续激活后，抑制性反馈神经元（APL）会通过降低对KC输入的敏感性来进行“局部”水平的稳态适应，而这恰恰抵消了KC自身为降低兴奋性所做的“网络”水平适应。这种“自相矛盾”的适应性冲突导致KC的气味反应并未如预期般稳定下调。这项研究为理解神经环路中多层次稳态调控的相互作用与潜在冲突提供了新颖的实验证据，对深入认识神经可塑性的基本原理及相关神经系统疾病的病理机制（如适应性障碍、癫痫等）具有重要意义。
摘要
神经网络通过稳态可塑性来补偿扰动以维持稳定的活动水平。然而，在不同层面运作的稳态机制可能相互冲突。例如，在抑制性反馈回路中，如果抑制性神经元接受过量兴奋，在“局部”水平（例如，降低抑制性神经元活动）的补偿可能与“网络”水平（例如，抑制那些过度兴奋抑制性神经元的兴奋性神经元）的补偿相冲突。我们在果蝇蘑菇体中研究了这个问题，其中兴奋性Kenyon细胞（KC）接受来自前配对侧神经元（APL）的反馈抑制。双色钙成像显示，长时间（24小时）人工激活KC会导致APL对KC活动的敏感性降低。同时，KC通过减少兴奋来补偿其过度活动，但这种变化被APL抑制的减少所抵消。这种冲突意味着KC并未一致地显示出预期的气味反应稳态性降低。我们的研究结果表明，神经元有时会在局部适应其活动，以抵消网络中更广泛的适应。
引言
生物系统可以补偿扰动，但有时补偿机制会失灵，导致反作用或适应不良的可塑性。这里我们通过神经元稳态可塑性来研究这个普遍问题，这是一种神经网络通过调整突触强度和/或内在兴奋性，使活动恢复到设定点，从而在面对扰动时稳定活动水平或模式的现象。根据哪些变量受到稳态控制，网络中不同部分的稳态变化可能相互支持或相互对立。例如，在抑制性反馈网络中，如果兴奋性神经元过度活跃，它们应该降低其兴奋性。这种降低可以通过反馈抑制的稳态性增加来支持。然而，如果抑制性神经元通过降低其自身兴奋性来补偿过量的兴奋输入，这将减少对兴奋性神经元的抑制并增加其活动，从而在网络上与稳态相悖。这种“局部”抑制活动的稳态性在离体神经元和脑切片中已有观察。然而，在完整的活体中枢脑中是否发生这种局部抑制性稳态，以及它是否确实对兴奋性神经元活动产生抗稳态效应，目前仍不清楚。
方法
实验采用果蝇（Drosophila melanogaster）为模型，通过遗传学工具在特定神经元群体中表达钙指示剂（如GCaMP6f、jRGECO1a）和温度敏感通道（dTRPA1）。功能成像采用双光子显微镜，记录蘑菇体不同区域（包括萼、α、β、α′、β′、γ叶）的钙活动。结构成像采用共聚焦显微镜。利用FlpTag系统标记内源性Para钠通道。通过表达组胺门控氯离子通道Ort并应用组胺来急性抑制APL活动。还使用了计算模型来模拟蘑菇体回路并探讨参数变化的影响。
结果
KC过度活动后APL敏感性降低
为了测量APL对KC输入的敏感性，我们同时在KC和APL中记录了钙信号。利用热激活的阳离子通道dTRPA1在KC中表达，可以通过升高环境温度（~31°C）人为控制其活动。在KC中表达dTRPA1 24小时后，通过钙成像和转录因子CRTC的核定位分析发现，KC被持续激活，而APL对来自KC的兴奋输入的敏感性降低。这体现在：1) 加热激活KC时，预加热24小时果蝇的APL钙反应幅度小于对照组；2) 在自然气味刺激下，APL反应与KC反应之间的线性回归斜率在预加热的KC>dTRPA1果蝇中变浅，表明APL对KC输入的反应增益减小。
KC气味反应在过量刺激后呈现异质性可塑性
尽管APL的抑制作用大幅减弱（在萼部几乎完全消除），但KC的气味反应并未一致地出现预期的显著增加。在γ KC轴突中，KC>dTRPA1果蝇的气味反应低于对照组。然而，在萼部（KC树突所在）以及αβ和α′β′ KC轴突中，气味反应要么不受影响，要么在α和α′叶中略有增加。这种缺乏一致剧烈增加的情况并非由于钙指示剂饱和所致。
适应降低了KC中的钠通道表达
为了探究KC兴奋性降低的可能性，我们检测了KC中电压门控钠通道Para的表达。利用FlpTag系统特异性标记KC中的内源性Para蛋白，发现与对照组相比，KC被dTRPA1过度激活24小时后，Para-FlpTag信号显著降低，特别是在KC轴突起始段所在的梗节区域。这表明，为了补偿过度激活，KC减少了电压门控钠通道的表达。
APL抑制的减少抵消了KC兴奋的降低
为了测试“APL抑制的减少掩盖了KC兴奋性降低”的假设，我们在适应后的果蝇中，通过组胺急性阻断APL活动。结果显示：1) 在对照组果蝇中，阻断APL可急剧增加KC气味反应；2) 在KC>dTRPA1果蝇中，组胺对KC气味反应的影响较小甚至没有，表明在无组胺条件下，APL提供的抑制较少；3) 最关键的是，当APL被组胺阻断后，KC>dTRPA1果蝇的KC活动显著低于对照组。这表明，在抑制被移除的情况下，先前被过度激活的KC接受的突触兴奋和/或其内在兴奋性确实低于对照KC。因此，两种形式的可塑性相互抵消：KC降低了其兴奋性，同时APL也降低了其活动，从而减少了对KC的抑制，抵消了KC兴奋性降低的效果。
模型网络再现了冲突适应的异质性净效应
净适应效应在KC亚型之间是异质的。我们使用先前发表的蘑菇体速率编码模型来模拟可塑性。该模型中，KC接受来自嗅觉投射神经元（PN）的兴奋和来自APL的树突-树突反馈抑制。模拟探索了兴奋和抑制参数的系统性缩放。模型显示，从“正常”参数设置出发，同时减少兴奋和抑制（在参数空间向“西南”方向移动），根据两者减少的比例（即“可塑性箭头”的角度不同），可以导致KC活动增加、减少或不变。通过以不同的比例缩放兴奋，同时以恒定量缩放抑制，模型可以再现实验观察到的αβ、α′β′和γ KC气味反应的异质性dTRPA1诱导变化。换句话说，根据减少兴奋和减少抑制的平衡，对KC的净效应可以是活动增加、减少或不变。
讨论
我们的研究表明，蘑菇体通过两种相互冲突的稳态效应来补偿KC的过度活动。KC的兴奋性降低，但这被来自APL的反馈抑制减少所抵消。净效应是，适应后KC的气味反应并未如稳态逻辑所预测的那样一致降低。这些结果表明，稳态可塑性可能遵循在局部有道理（例如，补偿APL的过度激活）但在更广泛的层面上适得其反的规则。
适应机制
APL敏感性的降低可能通过突触前机制（如KC-APL突触囊泡释放减少）和/或突触后机制（如烟碱型乙酰胆碱受体或电压门控钙通道表达减少）发生。兴奋的丧失可能部分归因于电压门控Na+通道Para的表达减少。然而，Para的减少可能并非全部原因，因为在Para表达很少的萼部，适应后当APL被沉默时也表现出兴奋降低。未来的研究将揭示树突钙流入的减少在多大程度上源于离子通道的变化与突触输入的变化。
病理性适应？
面对过量兴奋，蘑菇体似乎同时执行了两个相互冲突的稳态程序：减少兴奋和减少抑制。这最可能的解释是，蘑菇体从未进化到补偿我们施加的这种特定扰动。就像人工“超级刺激”奖励会引发病理性奖励寻求一样，超出自然遇到范围的神经元扰动也可能引发病理性适应。未来的研究应比较对非自然扰动与更自然扰动的适应，包括那些由自然变异产生的扰动。
