Como a ligação de duas moléculas cerebrais cria memórias que duram a vida toda

A versão original desta história apareceu na Quanta Magazine .

Quando Todd Sacktor estava prestes a completar 3 anos, sua irmã de 4 anos morreu de leucemia. "Um quarto vazio ao lado do meu. Um balanço com dois assentos em vez de um", disse ele, relembrando os vestígios persistentes da presença dela na casa. "Havia uma pessoa desaparecida — de quem nunca se falava — da qual eu só tinha uma lembrança." Essa lembrança, tênue, mas duradoura, se passava no escritório no térreo da casa deles. Um jovem Sacktor pediu à irmã que lhe lesse um livro, e ela o dispensou: "Vá perguntar à sua mãe". Sacktor subiu as escadas, desanimado, até a cozinha.

É notável que, mais de 60 anos depois, Sacktor ainda se lembre desse momento fugaz da infância. A natureza surpreendente da memória reside no fato de que cada lembrança é um traço físico, impresso no tecido cerebral pela maquinaria molecular dos neurônios. Como a essência de um momento vivido é codificada e posteriormente recuperada continua sendo uma das questões centrais sem resposta na neurociência.

Sacktor tornou-se neurocientista em busca de uma resposta. Na Universidade Estadual de Nova York Downstate, no Brooklyn, ele estuda as moléculas envolvidas na manutenção das conexões neurais subjacentes à memória. A questão que sempre lhe chamou a atenção foi formulada pela primeira vez em 1984 pelo famoso biólogo Francis Crick: como as memórias podem persistir por anos, até décadas, quando as moléculas do corpo se degradam e são substituídas em questão de dias, semanas ou, no máximo, meses?

Em 2024, trabalhando ao lado de uma equipe que incluía seu colaborador de longa data André Fenton , neurocientista da Universidade de Nova York, Sacktor ofereceu uma possível explicação em um artigo publicado na Science Advances . Os pesquisadores descobriram que uma ligação persistente entre duas proteínas está associada ao fortalecimento das sinapses, que são as conexões entre os neurônios. Acredita-se que o fortalecimento sináptico seja fundamental para a formação da memória. À medida que essas proteínas se degradam, novas proteínas tomam seu lugar em uma troca molecular conectada que mantém a integridade da ligação e, portanto, a memória.

Os pesquisadores apresentam "um caso muito convincente" de que "a interação entre essas duas moléculas é necessária para o armazenamento da memória", disse Karl Peter Giese , neurobiólogo do King's College London, que não participou do trabalho. As descobertas oferecem uma resposta convincente ao dilema de Crick, reconciliando as escalas de tempo discordantes para explicar como moléculas efêmeras mantêm memórias que duram a vida toda.

No início de sua carreira, Sacktor fez uma descoberta que moldaria o resto de sua vida. Depois de estudar com o pioneiro da memória molecular, James Schwartz, na Universidade de Columbia, ele abriu seu próprio laboratório na SUNY Downstate para procurar uma molécula que pudesse ajudar a explicar como as memórias de longo prazo persistem.

A molécula que ele procurava estaria nas sinapses cerebrais. Em 1949, o psicólogo Donald Hebb propôs que a ativação repetida de neurônios fortalece as conexões entre eles, ou, como a neurobióloga Carla Shatz posteriormente afirmou: "Células que disparam juntas, se conectam". Nas décadas seguintes, muitos estudos sugeriram que quanto mais forte a conexão entre os neurônios que armazenam memórias, melhor a persistência dessas memórias.

No início da década de 1990, em uma placa de vidro em seu laboratório, Sacktor estimulou uma fatia do hipocampo de um rato — uma pequena região do cérebro ligada a memórias de eventos e lugares, como a interação que Sacktor teve com sua irmã na toca — para ativar vias neurais de uma forma que imitasse a codificação e o armazenamento de memórias. Em seguida, ele procurou por quaisquer alterações moleculares que tivessem ocorrido. Cada vez que repetia o experimento, observava níveis elevados de uma determinada proteína dentro das sinapses. "Na quarta vez, eu pensei: é isso", disse ele.

Era a proteína quinase M zeta, ou PKMζ, para abreviar. À medida que o tecido hipocampal dos ratos era estimulado, as conexões sinápticas se fortaleciam e os níveis de PKMζ aumentavam . Quando publicou suas descobertas em 1993, ele estava convencido de que a PKMζ era crucial para a memória.

Nas duas décadas seguintes, ele desenvolveria um corpo de trabalho demonstrando que a presença da PKMζ ajuda a manter as memórias por muito tempo após sua formação inicial. Quando Sacktor bloqueou a atividade da molécula uma hora após a formação de uma memória, ele observou que o fortalecimento sináptico foi revertido. Essa descoberta sugeriu que a PKMζ era " necessária e suficiente " para preservar uma memória ao longo do tempo, escreveu ele na Nature Neuroscience em 2002. Em contraste, centenas de outras moléculas localizadas impactavam o fortalecimento sináptico apenas se interrompidas poucos minutos após a formação de uma memória. Parecia ser uma chave molecular singular para a memória de longo prazo.

Para testar sua hipótese em animais vivos, ele se uniu a Fenton, que trabalhava na SUNY Downstate na época e tinha experiência em treinamento de animais de laboratório e na condução de experimentos comportamentais. Em 2006, a dupla publicou seu primeiro artigo mostrando que o bloqueio da PKMζ poderia apagar a memória de ratos um dia ou um mês após sua formação. Isso sugeriu que a atividade persistente da PKMζ é necessária para manter a memória.

O artigo foi um sucesso. A proteína estrela PKMζ, de Sacktor e Fenton, ganhou ampla atenção, e laboratórios ao redor do mundo descobriram que bloqueá-la poderia apagar vários tipos de memórias, incluindo aquelas relacionadas ao medo e ao paladar. A PKMζ parecia uma explicação abrangente para como as memórias se formam e são mantidas em nível molecular. Mas então a hipótese deles perdeu força. Outros pesquisadores modificaram geneticamente camundongos para que não tivessem PKMζ e, em 2013, dois estudos independentes mostraram que esses camundongos ainda conseguiam formar memórias. Isso lançou dúvidas sobre o papel da proteína e paralisou grande parte da pesquisa em andamento.

Sacktor e Fenton não se deixaram abater. "Sabíamos que precisávamos descobrir", disse Sacktor. Em 2016, eles publicaram uma refutação , demonstrando que, na ausência de PKMζ, os camundongos recrutam um mecanismo de backup, envolvendo outra molécula, para fortalecer as sinapses.

A existência de uma molécula compensatória não foi uma surpresa. "O sistema biológico não é tal que você perde uma molécula e tudo se vai. Isso é muito raro", disse Giese. Mas a identificação dessa molécula compensatória levantou uma nova questão: como ela sabia para onde ir para substituir a PKMζ? Sacktor e Fenton levariam quase mais uma década para descobrir.

Um teste clássico da importância de uma molécula é bloqueá-la e ver o que se rompe. Determinados a definir o papel da PKMζ de uma vez por todas, Sacktor e Fenton se propuseram a projetar uma maneira de interrompê-la com mais precisão do que nunca. Desenvolveram uma nova molécula para inibir a atividade da PKMζ. "Funcionou perfeitamente", disse Sacktor. Mas não estava claro como.

Certo dia, em 2020, Matteo Bernabo, um estudante de pós-graduação de um laboratório colaborador da Universidade McGill, estava apresentando descobertas relacionadas ao inibidor de PKMζ quando uma pista surgiu da plateia. "Sugeri que ele funcionava bloqueando a interação da PKMζ com o KIBRA", lembrou Wayne Sossin , neurocientista da Universidade McGill.

KIBRA é uma proteína de andaime. Como uma âncora, ela mantém outras proteínas no lugar dentro de uma sinapse. No cérebro, é abundante em regiões associadas ao aprendizado e à memória. "Não é uma proteína com a qual muitas pessoas trabalham", disse Sossin, mas há consideráveis ​​"evidências independentes de que KIBRA tem algo a ver com a memória" — e até mesmo de que está associada à PKMζ . A maioria das pesquisas se concentrou no papel de KIBRA no câncer. "No sistema nervoso", disse ele, "há apenas três ou quatro de nós [estudando-o]". Sacktor e Fenton se juntaram a eles.

Para descobrir se KIBRA e PKMζ interagem em resposta à atividade sináptica, os pesquisadores usaram uma técnica que faz as proteínas interagentes brilharem. Quando aplicaram pulsos elétricos em fatias do hipocampo, pontos brilhantes de evidência surgiram: após surtos de atividade sináptica que produziram fortalecimento sináptico de longo prazo, uma infinidade de complexos KIBRA-PKMζ se formaram, e eles foram persistentes.

Em seguida, a equipe testou a ligação durante a formação da memória real, administrando aos camundongos um medicamento para interromper a formação desses complexos. Eles observaram que a força sináptica e a memória de tarefas dos camundongos foram perdidas — e que, uma vez que o efeito do medicamento passou, a memória apagada não retornou, mas os camundongos conseguiram adquirir e se lembrar de novas memórias novamente.

Mas será que os complexos KIBRA-PKMζ são necessários para manter a memória a longo prazo? Para descobrir, os pesquisadores interromperam o complexo quatro semanas após a formação de uma memória. Isso de fato apagou a memória. Isso sugeriu que a interação entre KIBRA e PKMζ é crucial não apenas para a formação de memórias, mas também para mantê-las intactas ao longo do tempo.

“É a associação persistente entre duas proteínas que mantém a memória, e não uma proteína que dura sozinha durante toda a vida da memória”, disse Panayiotis Tsokas, neurocientista que trabalha com Sacktor e principal autor do novo artigo da Science Advances .

As proteínas KIBRA e PKMζ se estabilizam mutuamente formando uma ligação. Dessa forma, quando uma proteína se degrada e precisa ser substituída, a outra permanece no lugar. A ligação em si e sua localização nas sinapses específicas que foram ativadas durante o aprendizado são preservadas, permitindo que um novo parceiro se encaixe, perpetuando a aliança ao longo do tempo. Individualmente, PKMζ e KIBRA não duram a vida toda — mas, ao se ligarem, ajudam a garantir que suas memórias durem.

A descoberta aborda o enigma identificado inicialmente por Crick, ou seja, como as memórias persistem apesar da vida útil relativamente curta de todas as moléculas biológicas. "Tinha que haver uma resposta muito, muito interessante, uma resposta elegante, para como isso poderia acontecer", disse Fenton. "E essa resposta elegante é a história da interação KIBRA-PKMζ."

Este trabalho também responde a uma pergunta que os pesquisadores haviam deixado de lado. O estudo anterior de Sacktor mostrou que níveis crescentes de PKMζ fortaleciam sinapses e memórias. Mas como a molécula sabia para onde ir dentro do neurônio? "Pensamos, bem, um dia, talvez entendamos isso", disse Sacktor. Agora, os pesquisadores acreditam que a KIBRA atua como uma etiqueta sináptica que guia a PKMζ. Se for verdade, isso ajudaria a explicar como apenas as sinapses específicas envolvidas em um traço de memória física específico são fortalecidas, quando um neurônio pode ter milhares de sinapses que o conectam a várias outras células.

"Esses experimentos demonstram muito bem que o KIBRA é necessário para manter a atividade da PKMζ na sinapse", disse David Glanzman , neurobiólogo da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, que não participou do estudo. No entanto, ele alertou que isso não se traduz necessariamente na manutenção da memória, pois o fortalecimento sináptico não é o único modelo de como a memória funciona.

As pesquisas anteriores de Glanzman com lesmas-do-mar inicialmente pareciam mostrar que a interrupção de uma molécula análoga à PKMζ apaga a memória. "Originalmente, eu disse que ela era apagada", disse Glanzman, "mas experimentos posteriores mostraram que podíamos trazer a memória de volta". Essas descobertas o levaram a reconsiderar se a memória é realmente armazenada como mudanças na força das conexões sinápticas. Glanzman, que trabalha há 40 anos com o modelo sináptico, é um defensor recente de uma visão alternativa chamada modelo de codificação molecular, que postula que as moléculas dentro de um neurônio armazenam memórias.

Embora não tenha dúvidas de que o fortalecimento sináptico acompanha a formação da memória e que a PKMζ desempenha um papel importante nesse processo, ele ainda não tem certeza se a molécula também armazena a memória. Ainda assim, Glanzman enfatizou que este estudo aborda alguns dos desafios do modelo sináptico, como a renovação molecular e o direcionamento sináptico, "fornecendo evidências de que KIBRA e PKMζ formam um complexo específico da sinapse e que persiste por mais tempo do que qualquer uma das moléculas individualmente".

Embora Sacktor e Fenton acreditem que esse par de proteínas seja fundamental para a memória, eles sabem que pode haver outros fatores ainda a serem descobertos que contribuem para a persistência das memórias. Assim como a PKMζ os levou ao KIBRA, o complexo pode levá-los ainda mais longe.

História original reimpressa com permissão da Quanta Magazine , uma publicação editorialmente independente da Fundação Simons cuja missão é aumentar a compreensão pública da ciência cobrindo desenvolvimentos e tendências de pesquisa em matemática e ciências físicas e biológicas.