Hoe de binding van twee hersenmoleculen herinneringen creëert die een leven lang meegaan

De originele versie van dit verhaal verscheen in Quanta Magazine .

Toen Todd Sacktor bijna drie werd, stierf zijn vierjarige zusje aan leukemie. "Een lege slaapkamer naast de mijne. Een schommel met twee zitjes in plaats van één," zei hij, terwijl hij zich de nasleep van haar aanwezigheid in huis herinnerde. "Er was een vermiste persoon – waar nooit over gesproken werd – waaraan ik maar één herinnering had." Die herinnering, vaag maar blijvend, speelde zich af in de studeerkamer beneden in hun huis. Een jonge Sacktor vroeg zijn zusje om hem een ​​boek voor te lezen, en ze wuifde hem weg: "Ga het aan je moeder vragen." Sacktor sjokte somber de trap op naar de keuken.

Het is opmerkelijk dat Sacktor zich, meer dan 60 jaar later, dit vluchtige moment uit zijn jeugd überhaupt nog herinnert. Het verbazingwekkende van het geheugen is dat elke herinnering een fysiek spoor is, vastgelegd in hersenweefsel door de moleculaire machinerie van neuronen. Hoe de essentie van een beleefd moment wordt gecodeerd en later weer wordt teruggehaald, blijft een van de belangrijkste onbeantwoorde vragen in de neurowetenschap.

Sacktor werd neurowetenschapper op zoek naar een antwoord. Aan de State University of New York Downstate in Brooklyn bestudeert hij de moleculen die betrokken zijn bij het in stand houden van de neuronale verbindingen die ten grondslag liggen aan het geheugen. De vraag die hem altijd al bezighield, werd voor het eerst in 1984 geformuleerd door de beroemde bioloog Francis Crick: hoe kunnen herinneringen jaren, zelfs decennia, blijven bestaan ​​als de moleculen van het lichaam binnen enkele dagen, weken of hooguit maanden worden afgebroken en vervangen?

In 2024, in samenwerking met een team waartoe ook zijn jarenlange collega André Fenton , neurowetenschapper aan de New York University, behoorde, bood Sacktor een mogelijke verklaring in een artikel gepubliceerd in Science Advances . De onderzoekers ontdekten dat een aanhoudende verbinding tussen twee eiwitten verband houdt met de versterking van synapsen, de verbindingen tussen neuronen. Synaptische versterking wordt beschouwd als fundamenteel voor de vorming van geheugen. Naarmate deze eiwitten afbreken, nemen nieuwe eiwitten hun plaats in in een verbonden moleculaire wisselwerking die de integriteit van de verbinding en daarmee het geheugen behoudt.

De onderzoekers presenteren "een zeer overtuigende case" dat "de interactie tussen deze twee moleculen nodig is voor het opslaan van herinneringen", aldus Karl Peter Giese , neurobioloog aan King's College London, die niet bij het onderzoek betrokken was. De bevindingen bieden een overtuigend antwoord op Cricks dilemma en verzoenen de tegenstrijdige tijdschalen om te verklaren hoe vluchtige moleculen herinneringen bewaren die een leven lang meegaan.

Vroeg in zijn carrière deed Sacktor een ontdekking die de rest van zijn leven zou bepalen. Na zijn studie bij James Schwartz, pionier op het gebied van moleculair geheugen aan Columbia University, opende hij zijn eigen laboratorium aan SUNY Downstate om te zoeken naar een molecuul dat zou kunnen verklaren hoe langetermijngeheugens in stand blijven.

Het molecuul waarnaar hij op zoek was, zou zich in de synapsen van de hersenen bevinden. In 1949 stelde psycholoog Donald Hebb voor dat het herhaaldelijk activeren van neuronen de verbindingen tussen hen versterkt, of, zoals neurobioloog Carla Shatz het later verwoordde: "Cellen die samen vuren, verbinden zich." In de decennia daarna hebben vele studies gesuggereerd dat hoe sterker de verbinding is tussen neuronen die herinneringen vasthouden, hoe beter de herinneringen blijven bestaan.

Begin jaren negentig stimuleerde Sacktor in een schaaltje in zijn lab een stukje hippocampus van een rat – een klein hersengebied dat verband houdt met herinneringen aan gebeurtenissen en plaatsen, zoals de interactie die Sacktor met zijn zus in het hol had – om neurale paden te activeren op een manier die de codering en opslag van herinneringen nabootste. Vervolgens zocht hij naar eventuele moleculaire veranderingen die hadden plaatsgevonden. Elke keer dat hij het experiment herhaalde, zag hij verhoogde niveaus van een bepaald eiwit in de synapsen. "Bij de vierde keer dacht ik: dit is het," zei hij.

Het was proteïnekinase M zeta, of kortweg PKMζ. Naarmate het hippocampusweefsel van de ratten werd gestimuleerd, werden de synaptische verbindingen sterker en namen de PKMζ-niveaus toe . Tegen de tijd dat hij zijn bevindingen in 1993 publiceerde, was hij ervan overtuigd dat PKMζ cruciaal was voor het geheugen.

In de daaropvolgende twee decennia zou hij een oeuvre opbouwen dat aantoonde dat de aanwezigheid van PKMζ helpt bij het bewaren van herinneringen lang na hun oorspronkelijke vorming. Toen Sacktor de activiteit van het molecuul een uur na de vorming van een herinnering blokkeerde, zag hij dat de synaptische versterking werd teruggedraaid. Deze ontdekking suggereerde dat PKMζ " noodzakelijk en voldoende " was om een ​​herinnering in de loop der tijd te bewaren, schreef hij in 2002 in Nature Neuroscience. Honderden andere gelokaliseerde moleculen daarentegen hadden alleen invloed op de synaptische versterking als ze binnen enkele minuten na de vorming van een herinnering werden verstoord. Het leek een unieke moleculaire sleutel tot langetermijngeheugen te zijn.

Om zijn hypothese bij levende dieren te testen, werkte hij samen met Fenton, die destijds bij SUNY Downstate werkte en ervaring had met het trainen van proefdieren en het uitvoeren van gedragsexperimenten. In 2006 publiceerden ze hun eerste artikel waarin ze aantoonden dat het blokkeren van PKMζ de herinneringen van ratten een dag of een maand na hun ontstaan ​​kon wissen . Dit suggereerde dat de aanhoudende activiteit van PKMζ nodig is om een ​​geheugen te behouden.

Het artikel sloeg in als een bom. Het stereiwit PKMζ van Sacktor en Fenton trok brede aandacht en laboratoria over de hele wereld ontdekten dat het blokkeren ervan verschillende soorten herinneringen kon wissen, waaronder herinneringen die verband houden met angst en smaak. PKMζ leek een allesomvattende verklaring voor hoe herinneringen zich op moleculair niveau vormen en behouden. Maar daarna verloor hun hypothese aan populariteit. Andere onderzoekers manipuleerden muizen genetisch zodat ze geen PKMζ meer hadden, en in 2013 toonden twee onafhankelijke studies aan dat deze muizen nog steeds herinneringen konden vormen. Dit zette de rol van het eiwit in twijfel en bracht veel van het lopende onderzoek tot stilstand.

Sacktor en Fenton lieten zich niet afschrikken. "We wisten dat we het moesten uitzoeken", zei Sacktor. In 2016 publiceerden ze een weerlegging , waarin ze aantoonden dat muizen bij afwezigheid van PKMζ een back-upmechanisme, waarbij een ander molecuul betrokken is, inzetten om synapsen te versterken.

Het bestaan ​​van een compenserend molecuul was geen verrassing. "Het biologische systeem is niet zo dat je één molecuul verliest en alles weg is. Dat is zeer zeldzaam," zei Giese. Maar de identificatie van dit compenserende molecuul riep een nieuwe vraag op: hoe wist het waar het heen moest om PKMζ te vervangen? Het zou Sacktor en Fenton nog bijna tien jaar kosten om daarachter te komen.

Een klassieke test om het belang van een molecuul te testen, is het te blokkeren en te kijken wat er kapotgaat. Vastbesloten om de rol van PKMζ voor eens en altijd te ontrafelen, gingen Sacktor en Fenton op zoek naar een manier om het nauwkeuriger dan ooit te verstoren. Ze ontwikkelden een nieuw molecuul om de activiteit van PKMζ te remmen. Het "werkte fantastisch", aldus Sacktor. Maar het was niet duidelijk hoe.

Op een dag in 2020 presenteerde Matteo Bernabo, een promovendus van een samenwerkend laboratorium aan McGill University, bevindingen met betrekking tot de PKMζ-remmer toen het publiek een aanwijzing kreeg. "Ik suggereerde dat het werkte door de interactie van PKMζ met KIBRA te blokkeren", herinnert Wayne Sossin , neurowetenschapper aan McGill University, zich.

KIBRA is een steigerproteïne. Als een anker houdt het andere eiwitten op hun plaats in een synaps. In de hersenen is het rijkelijk aanwezig in gebieden die verband houden met leren en geheugen. "Het is niet een eiwit waar veel mensen zich mee bezighouden," zei Sossin, maar er is aanzienlijk "onafhankelijk bewijs dat KIBRA iets te maken heeft met geheugen" – en zelfs dat het verband houdt met PKMζ . Het meeste onderzoek heeft zich gericht op de rol van KIBRA bij kanker. "In het zenuwstelsel," zei hij, "zijn er maar drie of vier van ons [die het bestuderen]." Sacktor en Fenton sloten zich bij hen aan.

Om te achterhalen of KIBRA en PKMζ samenwerken in reactie op synaptische activiteit, gebruikten de onderzoekers een techniek die interacterende eiwitten laat oplichten. Toen ze elektrische pulsen toepasten op hippocampusplakken, verschenen er gloeiende puntjes bewijs: na uitbarstingen van synaptische activiteit die langdurige synaptische versterking veroorzaakten, vormden zich talloze KIBRA-PKMζ-complexen, die persistent bleven.

Vervolgens testte het team de band tijdens de vorming van echte herinneringen door muizen een medicijn te geven dat de vorming van deze complexen verstoorde. Ze zagen dat de synaptische sterkte en het taakgeheugen van de muizen verloren gingen – en dat zodra het medicijn was uitgewerkt, de gewiste herinnering niet terugkeerde, maar dat de muizen wel weer nieuwe herinneringen konden opbouwen en herinneren.

Maar zijn de KIBRA-PKMζ-complexen nodig om herinneringen op de lange termijn te behouden? Om daarachter te komen, verstoorden de onderzoekers het complex vier weken nadat een herinnering was gevormd. Hierdoor werd de herinnering inderdaad gewist. Dit suggereerde dat de interactie tussen KIBRA en PKMζ niet alleen cruciaal is voor het vormen van herinneringen, maar ook voor het intact houden ervan.

"Het is de aanhoudende associatie tussen twee eiwitten die de herinnering in stand houdt, en niet een eiwit dat op zichzelf blijft gedurende de hele herinnering", aldus Panayiotis Tsokas, een neurowetenschapper die samenwerkt met Sacktor en hoofdauteur is van het nieuwe artikel in Science Advances .

De KIBRA- en PKMζ-eiwitten stabiliseren elkaar door een binding te vormen. Op die manier blijft het andere eiwit op zijn plaats wanneer het afbreekt en vervangen moet worden. De binding zelf en de locatie ervan bij de specifieke synapsen die tijdens het leren werden geactiveerd, blijven behouden, waardoor een nieuwe partner zich kan aansluiten en de alliantie in de loop der tijd in stand blijft. Afzonderlijk gaan PKMζ en KIBRA niet een leven lang mee, maar door zich aan elkaar te binden, zorgen ze ervoor dat je herinneringen dat wel kunnen.

De ontdekking beantwoordt het raadsel dat Crick als eerste ontdekte, namelijk hoe herinneringen blijven bestaan ​​ondanks de relatief korte levensduur van alle biologische moleculen. "Er moest een heel, heel interessant antwoord zijn, een elegant antwoord, op hoe dit kon gebeuren," zei Fenton. "En dat elegante antwoord is het verhaal van de interactie tussen KIBRA en PKMζ."

Dit werk beantwoordt ook een vraag die onderzoekers op de plank hadden gelegd. Sacktors eerdere onderzoek toonde aan dat toenemende niveaus van PKMζ synapsen en herinneringen versterkten. Maar hoe wist het molecuul waar het naartoe moest binnen het neuron? "We dachten: nou, misschien begrijpen we dat ooit wel," zei Sacktor. Nu denken de onderzoekers dat KIBRA fungeert als een synaptische tag die PKMζ begeleidt. Als dat klopt, zou dit helpen verklaren hoe alleen de specifieke synapsen die betrokken zijn bij een bepaald fysiek geheugenspoor worden versterkt, terwijl een neuron duizenden synapsen kan hebben die het verbinden met verschillende andere cellen.

"Deze experimenten tonen heel mooi aan dat KIBRA noodzakelijk is voor het behoud van de activiteit van PKMζ in de synaps", aldus David Glanzman , neurobioloog aan de Universiteit van Californië in Los Angeles, die niet betrokken was bij het onderzoek. Hij waarschuwde echter dat dit niet per se leidt tot het behoud van geheugen, omdat synaptische versterking niet het enige model is voor hoe geheugen werkt.

Glanzmans eigen eerdere onderzoek naar zeeslakken leek aanvankelijk aan te tonen dat het verstoren van een molecuul analoog aan PKMζ het geheugen wist. "Oorspronkelijk zei ik dat het gewist was," zei Glanzman, "maar latere experimenten toonden aan dat we het geheugen konden terughalen." Deze bevindingen brachten hem ertoe te heroverwegen of geheugen daadwerkelijk wordt opgeslagen als veranderingen in de sterkte van synaptische verbindingen. Glanzman, die al 40 jaar met het synaptische model werkt, is een recente voorstander van een alternatieve visie, het zogenaamde moleculair-coderingsmodel, dat stelt dat moleculen in een neuron herinneringen opslaan.

Hoewel hij er geen twijfel over heeft dat synaptische versterking volgt op geheugenvorming, en dat PKMζ een belangrijke rol speelt in dit proces, blijft hij onzeker of het molecuul ook de herinnering zelf opslaat. Glanzman benadrukte echter dat deze studie enkele uitdagingen van het synaptische model aanpakt, zoals moleculaire turnover en synaptische targeting, door "bewijs te leveren dat KIBRA en PKMζ een complex vormen dat synapsspecifiek is en langer blijft bestaan ​​dan elk afzonderlijk molecuul."

Hoewel Sacktor en Fenton geloven dat dit eiwitpaar fundamenteel is voor het geheugen, weten ze dat er mogelijk nog andere factoren ontdekt moeten worden die herinneringen helpen behouden. Net zoals PKMζ hen naar KIBRA leidde, zou het complex hen nog verder kunnen brengen.

Oorspronkelijk verhaal met toestemming overgenomen uit Quanta Magazine , een redactioneel onafhankelijke publicatie van de Simons Foundation. De missie van deze publicatie is om het publieke begrip van wetenschap te vergroten door verslag te doen van ontwikkelingen en trends in het onderzoek naar wiskunde, natuurkunde en levenswetenschappen.