Memória: Mecanismos Celulares

 

Óxido nítrico e monóxido de carbono são mensageiros da memória

Por Carlos Tomaz

Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto.

Revista Ciência Hoje - Setembro/Outubro, 1993. Vol. 16, núm. 94.

Science vol. 260, pp. 1946-1950, 1993.

Nature vol. 364, pp. 147-149, 1993.

 

 

Memória é a capacidade de reter e recuperar informações um processo que produz alterações no nosso comportamento, permitindo que o indivíduo se situe no presente, considerando o passado e o futuro. Ela fornece as bases para todos os nossos conhecimentos, habilidades, sonhos, planos e anseios. Memória é, portanto, um aspecto central da existência humana. Assim, o conhecimento de sua natureza e bases biológicas é essencial para se entender a psiquê humana e desenvolver terapias relacionadas com as doenças cognitivas.

A pesquisa básica que investiga a neurobiologia da memória está centrada em dois objetivos. O primeiro visa à identificação de áreas cerebrais envolvidas nesse fenômeno, bem como do papel dos sistemas cerebrais no controle do armazenamento dos diferentes tipos de memória. Exemplo desse tipo de investigação está ilustrado no artigo ‘Memória e Emoções’ (Ciência Hoje n~ 83). O segundo destina-se a elucidar as alterações celulares e bioquímicas que ocorrem entre neurônios durante a aquisição da informação.

Talvez a primeira proposição da existência de alterações celulares subjacentes à formação de memórias tenha sido feita pelo psicólogo canadense Donald Hebb, no seu livro Organizatlon of Behavior publicado em 1949. Baseado nos trabalhos anatômicos de Lorente de Nó sobre a estrutura e as conexões entre os neurônios, Hebb propôs que durante a situação de aprendizagem um neurônio estimula outro, de tal forma que a sinapse entre eles se torna mais fortalecida, e isso poderia produzir alterações estruturais. De acordo com essa idéia, o armazenamento dessa informação estrutural poderia explicar o fenômeno da memória. Entretanto, ele não tinha a menor idéia dos mecanismos neurais subjacentes à sua teoria.

Em 1973, os fisiologistas Timothy Bliss e Terje Lomo demonstraram em neurônios localizados no hipocampo (uma estrutura do cérebro intimamente relacionada aos processos de memória) que a estimulação elétrica de alta freqüência num axônio pré-sináptico durante alguns segundos produz um aumento na magnitude da resposta pós-sináptica. O aumento pode durar algumas horas em animais anestesiados ou vários dias ou mesmo meses em animais acordados. Esse fenômeno foi denominado pelos pesquisadores de potenciação de longa duração (long-term potentiation — LTP).

Do ponto de vista funcional, a LTP corresponde a um processo de facilitação do sistema nervoso, cujo estabelecimento depende da duração e da freqüência do estímulo repetitivo; ou numa analogia, depende do ‘treinamento’, e portanto, de um processo de ‘aprendizagem’. Esses fenômenos seriam a base para a teoria neuropsicológica proposta por Hebb.

Entretanto, Bliss e Lomo haviam apenas demonstrado que a estimulação elétrica de alta freqüência de alguma forma tornava os circuitos neurais mais potentes. Mas quais seriam os mecanismos neurais responsáveis por este fenômeno? No hipocampo, vários estudos têm demonstrado que o aminoácido glutamato produz LTP através da ligação com moléculas receptoras existentes na membrana pós-sináptica. Há vários tipos de receptores de glutamato: o tipo NMDA (N-metil Daspartato) e outros que por simplicidade chamaremos de não-NMDA. A maior parte das transmissões sinápticas são feitas através dos receptores não-NMDA.

Isso ocorre através de uma cascata de eventos bioquímicos (ver figura): o neurotransmissor glutamato é liberado pelo terminal da célula A, e liga-se ao receptor da célula B. A membrana de B muda sua polaridade elétrica e isso retira o íon magnésio — uma espécie de ‘tampa sináptica’ dos receptores NMDA. Em conseqüência, entram íons cálcio na célula B.

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A entrada de cálcio na célula pós-sináptica ativa pelo menos três diferentes tipos de proteínas quinases, enzimas que são críticas para a indução de LTP. A manutenção de LTP depende do aumento na quantidade de neurotransmissor liberada pelo terminal pré-sináptico. Assim, a indução de LTP depende de um mecanismo pós-sináptico (entrada de cálcio através dos receptores de NMDA), enquanto a manutenção de LTP requer a participação de um mecanismo pré-sináptico.

O resultado desses estudos levou à suposição de que alguma informação retroativa deveria ser enviada do neurônio pós-sináptico para o neurônio pré-sináptico. Ou seja, a entrada de cálcio deveria induzir a liberação de uma substância que atuaria de forma retrógrada sobre o neurônio pré-sináptico, facilitando a liberação do neurotransmissor e, conseqüentemente, mantendo a LTP. Entretanto, a região pós-sináptica não possui vesículas que armazenam e liberam transmissores como os terminais pré-sinápticos. Desta forma, esse mensageiro intercelular deveria ser uma substância que se difundisse rapidamente do neurônio pós-sináptico através da fenda para a célula pré-sináptica.

Recentemente observou-se que o óxido nítrico (NO) e o monóxido de carbono (CO) são importantes mensageiros intercelulares no sistema nervoso central, e assim eles se tornaram imediatamente candidatos a mensageiros retroativos na LTP. Acredita-se que o NO e o CO sejam liberados pela célula pós-sináptica e atravessem rapidamente as membranas de células vizinhas ativando diretamente uma outra enzima formadora de uma molécula sinalizadora, chamada GMP cíclico. Esse aumento da concentração de GMPc seria então responsável pela indução dos efeitos fisiológicos na primeira célula.

Recentemente, dois grupos independentes de pesquisadores obtiveram evidências de que o NO e o CO participam realmente no fenômeno de LTP no hipocampo.

Robert D. Hawkins, Eric R. Kandel5 e colaboradores do Centro de Neurobiologia e Comportamento da Universidade Columbia (Nova York, EUA), numa elegante série de experimentos demonstraram que a aplicação de NO ou CO produzia um aumento rápido e duradouro nos potenciais sinápticos provocados pela estimulação elétrica repetitiva numa preparação de fatias do hipocampo de cobaias. É interessante notar que tanto o NO como o CO produziram LTP somente quando a sua aplicação foi pareada com a atividade dos neurônios pré-sinápticos. A aplicação isolada de NO ou de CO não produziu nenhum efeito sobre o potencial excitatório pós-sináptico (EPSP). Entretanto, quando a aplicação de NO ou CO foi pareada com uma estimulação repetitiva fraca, o EPSP aumentou rapidamente e permaneceu assim pelo menos uma hora. Aplicação de NO ou CO cinco minutos após a estimulação repetitiva fraca, também não produziu nenhum efeito significativo.

Esses resultados demonstram que NO e CO produzem um aumento de longa duração dos potenciais sinápticos e que os efeitos desses gases em combinação com a estimulação repetitiva são multiplicadores e não simplesmente aditivos.

Ainda no curso desta investigação os pesquisadores descobriram que esse aumento de longa duração era espacial- mente restrito às sinapses diretamente relacionadas com as fibras pré-sinápticas ativas; ou seja, o aumento induzido por NO ou CO é espacialmente restrito às vias envolvidas na estimulação. Depois do aumento produzido por NO ou CO, uma estimulação repetitiva forte não produziu nenhum efeito de longa duração, sugerindo que os mecanismos ativados pelo NO e o CO contribuem para a ocorrência normal de LTP. Verificou-se ainda que a facilitação produzida por esses mensageiros não era bloqueada na presença do ácido 2-amino-5-fosfonovalérico, substância que bloqueia os receptores NMDA e a indução de LTP pela estimulação repetiti~a, sugerindo que NO e CO atuam sobre eventos celulares anteriores aos receptores NMDA, e não pelo aumento pós-sináptico da entrada de cálcio. Esses resultadós reforçam a possibilidade de que NO eCO tenham um sítio pré-sináptico de ação.

Um outro trabalho desenvolvido por Charles F. Stevens e Yanyan Wang*, do Instituto Salk (Califórnia, EUA), também demonstrou que o atua como um sinal retrógrado no fenômeno de LTP. Usando uma preparação com fatias do hipocampo de camundongos ou ratos, esses pesquisadores observaram que a aplicação de substâncias bloqueadoras da síntese de CO — metaloporfirinas — interrompia a indução de LTP bem como eliminava a LTP que havia sido induzida pela estimulação repetitiva. Esse resultado não se devia ao bloqueio de receptores NMDA, visto que a depressão de longa duração (Iong-term depression, LTD), uma outra forma de plasticidade sináptica dependente da ativação de receptores NMDA, não era afetada.

Como se pode ver, 40 anos após a histórica obra de Hebb, a sua teoria continua tendo um enorme valor heurístico, demonstrando ser uma das mais promissoras formas de se tentar combinar os princípios da realidade psicológica com as descobertas das neurociências. Kandel e Hawkins sugerem que o estudo da aprendizagem no nível molecular pode ajudar a conectar a psicologia cognitiva àbiologia molecular, levando a uma rápida desmistificação do processo mental e o posicionamento do seu estudo dentro do paradigma evolucionário da biologia.