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神经回路具备在编码信息的同时维持稳定活动模式的能力，达到这一平衡的机制之一即为稳态调节，稳态调节指的是通过各种补偿机制将神经活动维持在生理设定点附近，但目前对哪些活动参数被稳态调节以及如何调节还存在较大不确定性。已有研究表明，脉冲发放的时间平均值是稳态调节的对象，即所谓的发放率稳态（firing rate homeostasis, FRH）。发放率稳态FRH已在体外培养的神经元和小鼠的初级视觉皮层中观察到，它能在不同时间尺度上保持诱发活动与自发活动的稳定。尽管多个突触和内在机制有助于将发放率维持在一个设定值附近，但设定值本身如何调节仍未明晰：其值由什么决定？这种设定值能否改变而不影响其他活动参数？是单个神经元自有设定点，还是整个网络共享？在某些回路中，单细胞层面上表现出自主的FRH，而其他回路在单细胞层面上却显现出不稳定性。NMDA受体是钙离子进入神经元的主要途径，也是突触可塑性与学习的关键因素，因此被认为可能在稳态调节中发挥作用。然而，不同实验对NMDA受体在突触可塑性中的作用得出了不一致的结论，比如在不同条件下，NMDA受体阻断对补偿性突触反应的影响不同。因此，为了理解NMDA受体的调节作用，还需进一步的研究去明确其在兴奋性传导与补偿机制调节中的角色。
来自特拉维夫大学的Inna Slutsky团队在Neuron上发表论文NMDA receptors regulate the firing rate set point of hippocampal circuits without altering single-cell dynamics，探索了NMDA受体在不同空间尺度上对发放率稳态（FRH）的调控作用，从单个神经元到神经元群体。他们的揭示了NMDA受体在调节网络发放率设定点方面的新功能，以及驱动这一调控的细胞分子机制，这一发现不仅拓展对NMDA受体功能的理解，还为稳态调节如何在神经网络层面实现提供了新的视角。
图源 Neuron
为研究海马神经元群体发放率稳态（FRH）的时间和空间尺度，研究团队首先利用多电极阵列（multi-electrode arrays, MEA）对单神经元进行了连续两天的记录。尽管单个神经元的发放率在24小时内显示出显著的不稳定性，但整个神经元群体的平均发放率（mean firing rate, MFR）却始终保持稳定，显示出神经元的集体活动在时间维度上具备更强的稳态。这种稳定性并非简单的统计平均结果，而是源于神经元之间发放率轨迹的高度相关性。分析表明，仅需少量维度即可较为精确地表示群体活动，进一步说明发放率轨迹间存在显著的相关性。并且即使在外加GABAB受体激动剂巴氯芬（baclofen）引入扰动的情况下，群体MFR依然能够恢复至基线水平，这显示出其作为网络层面受调控变量的特点。最后，研究人员通过模拟发现MFR的调控显著增强了网络的信号传递效率，提高了信息传输的准确性和抗噪性，突显出在神经网络层面维持FRH的计算优势。
图1 不同空间和时间尺度下FR统计的稳态调节
为了探究NMDA受体（NMDAR）在自发发放率FR调节中的作用，研究人员在海马神经元培养物中持续24小时加入NMDAR非竞争性拮抗剂氯胺酮（ketamine）。结果显示，氯胺酮显著降低MFR，且实验结束后MFR未出现补偿性反弹，表明氯胺酮设定了神经元网络活动的新稳态水平；同时该抑制作用不影响单神经元发放率的稳定性及群体维度，表明NMDAR阻断主要影响网络整体。进一步验证发现，该抑制作用在具有正常NMDAR功能的神经元中有效，且可由其他NMDAR拮抗剂复制。通过进一步实验发现，氯胺酮通过降低兴奋-抑制（E/I, excitation-inhibition ratio）比实现对MFR的调控，虽然对24小时内的自发兴奋性突触电流（spontaneous excitatory postsynaptic currents, sEPSC）无显著影响，但增加了抑制性突触电流（spontaneous postsynaptic inhibitory currents, sIPSC），从而降低E/I比。此外，氯胺酮提高了快速节律性放电的抑制性中间神经元（PV-IN）的内在兴奋性，而未影响兴奋性神经元的突触和固有可塑性。这些结果表明NMDAR对网络活动基准点的调控可提升网络的抗干扰能力与稳定性。
图2 持续的NMDAR阻滞稳定地抑制了群体MFR，而不影响单神经元动力学和活动扰动后的恢复
图3 氯胺酮降低了E/I比
研究还进一步探索了NMDAR如何通过分子机制调节基线MFR，发现氯胺酮抑制eEF2K活性，影响mRNA翻译并改变蛋白稳态。在eEF2K敲除（KO）的小鼠神经元培养物中，基线MFR显著下降，说明eEF2K在基线下对网络活动具有调控作用。在eEF2K-KO神经元中，氯胺酮诱导的MFR下降可在24小时内恢复到基线水平，表明eEF2K在NMDAR抑制下的MFR稳态建立中至关重要。进一步分析发现，eEF2K调节了兴奋性神经元（ExNs）和抑制性PV中间神经元（PV-INs）的内在可塑性，在eEF2K-KO条件下氯胺酮未能提高PV-INs的兴奋性，但增加了ExNs的兴奋性，表明eEF2K对ExNs可塑性具有特异性抑制作用。此外，NMDAR在PV-INs中的表达对MFR稳态维持至关重要，删除PV-INs中的NMDAR后，氯胺酮无法稳定MFR。在eEF2K-KO的INs中重新表达eEF2K恢复了氯胺酮对MFR的调控作用，表明NMDAR-eEF2K通路对PV-INs的基线发放率稳态维持至关重要。
图4 eEF2K缺失抑制基线MFR并恢复对氯胺酮的MFR重整
图5 NMDAR-eEF2K在PV-INs中是氯胺酮稳定MFR集点的必要且充分条件
此外，研究还发现BDNF在NMDAR拮抗剂调控基线MFR中起关键作用。氯胺酮通过抑制eEF2K上调BDNF的mRNA翻译，而BDNF激活TrkB（tyrosine kinase receptor type 2）受体来调节神经元内在兴奋性。为验证BDNF的作用，研究团队使用TrkB-Fc蛋白从野生型培养物中分离胞外BDNF，结果显示，在氯胺酮存在下，MFR逐渐恢复至基线水平，表明BDNF在氯胺酮引起的MFR稳态中至关重要。进一步实验显示，使用AP5获得了类似结果，也进一步证实了BDNF的重要性。外源性BDNF在eEF2K-KO神经元中恢复了氯胺酮的稳态调控作用，进一步证明BDNF在NMDAR拮抗剂调控中的必要性和充分性。
图6 BDNF需要氯胺酮来稳定MFR的设定点
最后，为验证NMDAR在体内对CA1区域基线MFR的调节作用，研究团队结合局部干预与细胞外记录的方法。在小鼠CA1区植入套管和微电极进行24小时基线记录，随后用渗透泵持续释放MK-801，观察到NMDAR拮抗剂显著降低了常规发放（regular-spiking, RS）和快速发放（FS）神经元的MFR，下降约60%，且无补偿性恢复。此外，MK-801对MFR的抑制在清醒和非快速眼动（NREM）睡眠期间无显著差异，而生理盐水（ACSF）注射未见相同效果。氯胺酮局部注射可复制MK-801对MFR的影响，但是腹腔注射无此效果，提示全身给药可能涉及NMDAR非依赖性机制或其他脑区网络影响，也部分解释了以往体内研究中观察到的变异。
图7 在CA1中，慢性局部NMDARs阻断能够稳定降低神经元的最小激发率
该项研究揭示了NMDA受体（NMDAR）对海马CA1区域基线发放率MFR的关键调控作用，发现NMDAR拮抗剂（如氯胺酮和MK-801）通过调节神经元的兴奋-抑制平衡显著抑制MFR，尤其对抑制性PV神经元的可塑性和兴奋性神经元的突触传递产生稳定影响。此外，eEF2K和BDNF分子通路通过蛋白合成和TrkB受体激活支持MFR的设定和稳定。NMDAR信号通路不仅直接调控神经元活动，还通过分子机制持久性影响MFR。未来研究可进一步探讨该机制在其他脑区的适用性及NMDAR拮抗的不同方式对脑网络的整体影响。此外，NMDAR拮抗剂在抑郁症和神经系统疾病治疗中的潜力值得深入研究，以提供关于神经病理机制和新型治疗策略的更深入理解。
原文地址
https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(24)00735-9
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