Lembranças que ficam


Alguns momentos se tornam recordações duradouras, enquanto outros simplesmente desaparecem. A causa desse paradoxo pode envolver os mesmos processos que moldam o desenvolvimento do nosso cérebro.

Revista Scientific American - por R. Douglas Fields

No filme de suspense Amnésia, o protagonista, Leonard, consegue se lembrar de tudo o que aconteceu antes de sofrer um ferimento na cabeça na noite em que sua esposa foi atacada. Mas todas as pessoas que encontra e as coisas que faz depois simplesmente desaparecem. Ele perdeu a capacidade de converter a memória de curto prazo em memória de longo prazo. Leonard é levado a achar o assassino de sua mulher e vingar sua morte, mas, por estar preso ao presente, precisa tatuar as pistas da investigação no próprio corpo.

Essa história foi inspirada em um paciente real, conhecido na literatura médica como "HM". Quando tinha 9 anos, um ferimento na cabeça provocado por um acidente de bicicleta o deixou com epilepsia grave. Para aliviar seus ataques, cirurgiões removeram partes do hipocampo e regiões adjacentes do cérebro de HM. A operação amenizou suas crises, mas prejudicou a misteriosa ligação entre a memória de curto prazo e a de longo prazo. Informações destinadas à chamada memória informativa - pessoas, lugares, acontecimentos - devem passar pelo hipocampo antes de ser gravadas no córtex cerebral. Assim, as memórias antigas e já armazenadas no cérebro de HM permaneciam claras, mas todas as suas experiências do presente logo desapareciam. HM via seu médico todos os meses, mas cada visita parecia a primeira.

Essa transição da experiência mental presente para uma memória duradoura fascina há tempos os neurocientistas. O nome de uma pessoa que alguém acabou de conhecer é armazenado na memória de curto prazo e pode desaparecer em minutos. Mas algumas informações, como o nome do seu melhor amigo, podem ficar armazenadas a vida inteira. O mecanismo pelo qual o cérebro preserva certos momentos e permite que outros desapareçam está começando a se tornar claro,
mas, primeiro, os neurocientistas têm de resolver um paradoxo importante.

Ambas as memórias nascem de conexões entre os neurônios, em pontos de contato chamados sinapses. Nelas, um prolongamento dos neurônios, o axônio, encontra as extremidades receptoras de sinais, os dendritos. Quando uma memória de curto prazo é criada, uma estimulação da sinapse é suficiente para sensibilizá -la aos sinais subseqüentes. Contudo, desde os anos 60, os cientistas sabem que isso exige que certos genes no núcleo do neurônio sejam ativados, iniciando a produção de proteínas.

Os pesquisadores não entendiam bem como a atividade genética no núcleo podia guiar as atividades das distantes sinapses. Como um gene faz para "saber" quando fortalecer uma sinapse permanentemente? E como as proteínas "sabem" qual dos milhares de sinapses tem de ser fortalecida? As mesmas questões têm implicações para entender o desenvolvimento cerebral dos fetos, quando o cérebro está decidindo quais conexões sinápticas serão mantidas e quais serão descartadas. Meu laboratório obteve uma solução intrigante para um desses mistérios.

  • Memória genética

Os primeiros biólogos moleculares descobriram que os genes são importantes na conversão da memória de curto para longo prazo quando experiências com animais treinados para realizar tarefas simples mostraram que o aprendizado exigia que novas proteínas fossem sintetizadas no cérebro minutos depois do treinamento; do contrário, a memória seria perdida.

Para que uma proteína seja produzida, um trecho de DNA do núcleo da célula deve ser transcrito em uma forma portátil, o RNA mensageiro (mRNA), que então viaja para o citoplasma, onde o maquinário celular traduz suas instruções em uma proteína. Bloquear a transcrição do DNA em mRNA ou a tradução do mRNA em proteína poderia bloquear a formação da memória de longo prazo, mas a de curto prazo ficaria inalterada.

Já que um neurônio forma dezenas de milhares de conexões sinápticas, e não é possível que haja um gene para cada uma, os neurocientistas celulares tentaram explicar como o núcleo controla a força das conexões. Eles teorizaram que uma molécula sinalizadora desconhecida devia ser gerada pela sinapse quando ela era suficientemente estimulada. Temporariamente fortalecida, essa sinapse poderia segurar a memória por um período curto de tempo, enquanto a molécula sinalizadora partia para o núcleo do neurônio. Lá, a mensageira ativaria os genes necessários para sintetizar proteínas que fortalecessem permanentemente a conexão.

Em meados dos anos 90, os cientistas tinham uma idéia mais detalhada desses eventos. Muitos mostraram que um fator de transcrição chamado CREB tinha papel-chave em converter a memória de curto prazo em longo prazo em animais tão diferentes quanto moscas e camundongos. Os fatores de transcrição são proteínas do núcleo que funcionam como interruptores de DNA, controlando a transcrição dos genes. Assim, a ativação do CREB em um neurônio leva à ativação de certos genes, produzindo as misteriosas proteínas fortalecedoras de sinapses.

Em 1997, experimentos elegantes de Uwe Frey, do Instituto Federal de Neurobiologia, Regulamento Genético e Plasticidade da Alemanha, e Richard G. M.
Morris,da Universidade de Edimburgo, mostraram que, independentemente do que seriam essas "proteínas da memória", elas não precisam ser endereçadas diretamente às sinapses. Poderiam ser lançadas por toda a célula, mas só afetariam as sinapses que já estivessem temporariamente fortalecidas.

Essas revelações ainda deixavam uma dúvida qual é a molécula sinalizadora que determina quando o CREB deve ser acio onado? Nessa época, meus colegas e eu também enfrentávamos esses mesmos problemas, mas com uma perspectiva diferente. Em meu laboratório do Instituto Nacional de Saúde Infantil e Desenvolvimento Humano, estudamos como o cérebro se estrutura durante o desenvolvimento fetal. Enquanto os estudiosos da memória tentavam descobrir como as experiências mentais podem afetar os genes, investigávamos como os genes conseguem especificar milhões de conexões durante o desenvolvimento cerebral.

Nós e outros neurocientistas já suspeitávamos que a experiência mental deve ter algum papel na sintonização do desenvolvimento cerebral. O cérebro fetal pode começar com uma central de circuitos básica, especificada por instruções genéticas, e então, com o desenvolvimento e os testes dessas conexões, ele preserva as ligações mais eficazes e elimina as fracas. Mas como o cérebro identifica quais conexões vale a pena preservar?

  • Mente em Construção

Em 1949, o psicólogo Donald Hebb propôs uma regra simples que poderia governar a maneira como a experiência reforça certos circuitos neurais. Inspirado
pelos famosos experimentos caninos de Pavlov, Hebb teorizou que as conexões entre neurônios acionados ao mesmo tempo deveriam ser fortalecidas. Por exemplo, quando um neurônio é acionado quando um sino soa e outro adjacente é ativado quando há comida, se isso ocorrer simultaneamente, ele devem fortalecer suas conexões, formando um circuito celular que aprende que esses dois eventos estão ligados.

Nem todo estímulo é forte o suficiennte para fazer com que a célula dispare um sinal próprio. Um neurônio é como um microprocessador, que recebe milhares de sinais através de seus dendritos e integra constantemente todos os dados que chegam. Mas, diferentemente de um microprocessador, que tem muitas saídas, um neurônio tem apenas uma, o axônio. Assim, um neurônio pode responder a sinais de entrada de apenas uma maneira, ele pode mandar um sinal para o próximo neurônio com seu axônio, ou não.

Quando um neurônio recebe tal sinal, a voltagem da membrana neural de seu dendrito muda levemente na direção positiva. Esse local de mudança de voltagem é descrito como um "acionador" da sinapse do neurônio. Quando uma sinapse é ativada, o fortalecimento temporário observado na formação da memória de curto prazo é criado. Mas essa sinapse simples acionada brevemente não é suficiente para fazer o neurônio ativar um impulso, tecnicamente chamado de potencial de ação. Quando muitos neurônios da sinapse são acionados juntos, entretanto, seus esforços combinados mudam a voltagem da membrana neural o suficiente para fazer o neurônio acionar potenciais de ação e transmitir a mensagem à próxima célula do circuito.

Hebb propôs que, como um músico de orquestra que não consegue acompanhar seus colegas, a sinapse em um neurônio que sai de sincronia com as outras entradas de dados da célula passará a ser um obstáculo e deverá ser eliminada, mas as sinapses que são ativadas conjuntamente - suficientes para um neurônio acionar um potencial de ação - serão fortalecidas. O cérebro deve, portanto, montar sua rede neural em concordância com o fluxo de impulsos que passam pelos circuitos em desenvolvimento, refinando sua estrutura básica original.

No entanto, quando deixamos de lado a teoria de Hebb e tentamos desvendar os verdadeiros mecanismos desse processo, mais uma vez deparamos com o fato de que as enzimas e proteínas que fortalecem ou enfraquecem conexões sinápticas durante a "ligação" do cérebro devem ser sintetizadas por genes específicos. Portanto, nosso grupo decidiu descobrir os sinais que ativam esses genes.

Uma vez que a informação do sistema nervoso é codificada no padrão da atividade de impulsos neurais do cérebro, comecei com a hipótese de que certos genes dos neurônios devem ser ligados e desligados pelo padrão de disparo dos impulsos. Para testar essa idéia, eu e um aluno de pós-doutorado de meu laboratório, Kouichi Itoh, retiramos neurônios de um feto de camundongo e fizemos uma cultura de células, onde pudemos estimulá-las com eletrodos. "Encorajando" os neurônios a acionar potenciais de ação em diferentes padrões e medindo a quantidade de mRNA de genes conhecidos por serem importantes na formação de circuitos neurais ou na adaptação ao ambiente, descobrimos que nossa hipótese estava correta. Conseguíamos ligar ou desligar certos genes simplesmente acionando a freqüência correta em nosso estimulador eletrofisiológico, como alguém que sintoniza uma estação de rádio escolhendo a freqüência correta.

Depois que observamos que genes neurais podem ser controlados de acordo com os padrões de impulsos que as células emitiam, decidimos investigar uma questão mais profunda: como o padrão de despolarizações elétricas na superfície da membrana da célula controla os genes no núcleo do neurônio? Para fazer isso, precisávamos observar o interior do citoplasma da célula e ver como a informação era traduzida no seu caminho da superfície para o núcleo.

O que encontramos não foi um único caminho que vai da membrana do neurônio ao seu núcleo, mas sim uma rede altamente interconectada de reações químicas. Como o labirinto de caminhos que levam a Roma, há múltiplas estradas bioquímicas indo e voltando, conforme carregam sinais da membrana por todo o interior da célula. De alguma maneira, sinais elétricos de freqüências variáveis na membrana fluem através desse tráfego citoplasmático e atingem seu destino correto no núcleo. Queríamos entender como conseguem isso.

A principal maneira pela qual a informação sobre o estado elétrico da membrana neural entra nesse sistema de reações químicas é a regulação do fluxo de íons de cálcio, com a ajuda de canais sensíveis a voltagem na membrana celular. Os neurônios vivem em um verdadeiro mar de íons de cálcio, mas dentro deles a concentração do elemento é mantida em níveis extremamente baixos - 20 mil vezes mais baixa que a de fora. Quando a voltagem da membrana neural atinge níveis críticos, os canais de cálcio se abrem brevemente para o potencial de ação acionado pela célula. Permitir a entrada de um jato de íons de cálcio no neurônio com o acionamento de cada impulso neural traduz o código elétrico em um código químico, que o neurônio é capaz de entender.

Em uma espécie de efeito dominó, assim que os íons de cálcio entram no citoplasma, acionam enzimas chamadas prote& ccedil;ões químicas é a regulação do fluxo de íons de cálcio, com a ajuda de canais sensíveis a voltagem na membrana celular. Os neurônios vivem em um verdadeiro mar de íons de cálcio, mas dentro deles a concentração do elemento é mantida em níveis extremamente baixos - 20 mil vezes mais baixa que a de fora. Quando a voltagem da membrana neural atinge níveis críticos, os canais de cálcio se abrem brevemente para o potencial de ação acionado pela célula. Permitir a entrada de um jato de íons de cálcio no neurônio com o acionamento de cada impulso neural traduz o código elétrico em um código químico, que o neurônio é capaz de entender.

Em uma espécie de efeito dominó, assim que os íons de cálcio entram no citoplasma, acionam enzimas chamadas proteínas quinases. Essas moléculas ligam outras enzimas por uma reação química chamada fosforilação, que adiciona apêndices de fosfato às proteínas. Como um corredor que passa o bastão, as enzimas etiquetadas com fosfato tornam-se ativas e passam a estimular o funcionamento dos fatores de transcrição. O CREB, por exemplo, é ativado por enzimas dependentes de cálcio, que adicionam o fosfato a ele, e desativado por outras enzimas que removem o apêndice de fosfato. Mas há centenas de fatores de transcrição e proteínas quinases diferentes nas células. Queríamos saber como uma determinada freqüência de potencial de ação poderia usar os fluxos de cálcio para atingir as proteínas quinases apropriadas e, em última instância, fazer com que os fatores de transcrição controlassem o gene correto.

  • Flashes de cálcio

Enchendo os neurônios com um corante que se torna verde-fluorescente quando a concentração de cálcio no citoplasma aumenta, fomos capazes de rastrear como diferentes potenciais de ação acionam padrões traduzidos em flutuações dinâmicas no cálcio intracelular. Uma possibilidade simples era que essa transcrição de genes pudesse ser regulada pelo nível de aumento de cálcio no neurônio, com diferentes genes respondendo melhor a diferentes níveis de cálcio. Contudo, observamos um resultado ainda mais interessante: o nível do aumento de cálcio no neurônio é muito menos importante para regular genes específicos que os padrões temporais de flashes de cálcio, ecoando o código do impulso neural que o gerou.

Outro pós-doutorando de meu laboratório, Feleke Eshete, seguiu esses sinais de cálcio até as enzimas que eles ativam e os fatores de transcrição regulados por essas enzimas, e finalmente começamos a ver como diferentes padrões de impulsos neurais podiam ser transmitidos por diferentes cascatas de sinalização intracelular. O fator mais importante era o tempo.

Descobrimos que não era possível representar o trajeto da membrana da célula até o seu DNA com uma seeqüência simples de reações químicas. A cada passo, a começar pela entrada do cálcio na membrana da célula, as reações dividiram-se em uma rede altamente interconectada de cascatas de sinalização, cada uma com seus próprios limites de velocidade, governando como elas conseguem responder a sinais intermitentes. Essa propriedade determina por qual cascata de sinalização determinada freqüência de um potencial de ação deve seguir até o núcleo.

Algumas cascatas responderam rapidamente e se recuperaram com a mesma velocidade; assim, conseguem seguir padrões de alta freqüência de potenciais de ação, mas podem não ser capazes de sustentar sua ativação em resposta a rompantes de potencial de ação separados por longos intervalos de inatividade. Outras
foram um tanto lerdas e não conseguiram responder bem às freqüências rápidas, mas, uma vez acionadas, sua lentidão para se desativar significava que poderiam sustentar sinais após intervalos de inatividade. Os genes ativados por essas cascatas conseguiam, portanto, responder a estímulos gerados repetidamente, mas com pouca freqüência, como a repetição necessária para gravar novas informações na memória.

Em outras palavras, observamos que os sinais de diferentes padrões temporais eram propagados por cascatas bioquímicas distintas, que estavam afinadas com aqueles padrões específicos e que regulavam, em última instância, fatores de transcrição e genes diferentes. Nossas medições mostraram, por exemplo, que o CREB foi ativado rapidamente por potenciais de ação, mas foi lento na desativação depois que paramos de estimular o neurônio. Desse modo, o CREB conseguiria manter sua ativação entre acionamentos repetidos de estímulo separados por intervalos de 30 minutos ou mais, similares a intervalos de tempo entre as sessões de prática necessárias para que alguém aprenda novas habilidades ou fatos.

Dado o papel do CREB na memórial era inevitável que tentássemos descobrir se a cascata de sinalização que estudamos para entender o desenvolvimento cerebral poderia ser relevante para os mecanismos da memória. Portanto, inventamos um teste.

Se a parte do cérebro que foi removida do paciente HM, o hipocampo, for retirada de um rato e mantida viva em uma solução salina, microeletrodos e amplificadores eletrônicos podem gravar os impulsos elétricos de conexões sinápticas individuais em um neurônio. Administrando choques elétricos em uma sinapse, fazendo-a disparar em um padrão específico, a conexão pode ser fortalecida. Ou seja, a sinapse produz cerca de duas vezes mais voltagem em resposta às estimulações seguintes depois de receber o estimulo em alta freqüência.

Essa força intensificada, chamada de potenciação de longo prazo (LTP), pode, apesar do nome, ter vida relativamente curta. Quando impulsos de teste são aplicados em uma série de intervalos depois dos estímulos de alta freqüência, a voltagem produzida pela sinapse lentamente diminui, voltando à sua força original em algumas horas. Conhecido como LTP precoce, esse fortalecimento temporário da sinapse é um modelo celular de memória de curto prazo.

O interessante é que, se o mesmo estímulo de alta freqüência é aplicado repetidamente (três vezes, em nossos experimentos), a sinapse fica fortalecida de modo permanente, um estado chamado de LTP tardio. Mas os estímulos não podem ser repetidos ininterruptamente. Cada um deles deve ser separado por intervalos de inatividade (dez minutos, em nossos experimentos). E a adição de substâncias que bloqueiem a síntese de mRNA ou de proteínas na solução salina fará com que a sinapse enfr

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