Birbirimizle konuşma dilleri ve müzik aracılığıyla iletişim kurarız. Bu yüzden işitme, özellikle insanlar için önemli bir duyudur. Sesleri nasıl duyarız ve konumlandırırız? Doğadaki canlıların hayatında işitmenin rolü nedir?

Hayvanlar dünyasında da işitme, tür içinde iletişim açısından oldukça sık kullanılan bir duyudur. Hayvanlar çiftleşme için eşlerin belirlenmesi ve konumlandırılması, rakiplerin fark edilmesi, ailelerin ve çocukların tanınması olaylarında işitme duyularına güvenirler.

İşitme duyusunun bu rolleri görme ve koklama için de geçerlidir ve aslında bu duyular birbirlerini tamamlar niteliktedir. Görme yalnızca ışığın varlığında gerçekleşirken, işitme ve koklama karanlıkta da olabilir ancak uyarılar bu duyulara farklı hızlarda ulaşır. Kokular genelde rüzgarla taşınır ve saniyede 1 metre (m) gibi bir hızla koklama merkezine ulaşır. Sesler ise havada saniyede 340 m hızla ilerler, bu da koklamaya göre çok daha hızlıdır.

Sesin Algılanmasında Kulaktaki Hangi Bölgeler Sorumludur?

Sesler, farklı frekanslar halinde havada basınç dalgası olarak ilerler. Memelilerde sesler kulak kepçesiyle toplanır. Kulak kepçesi yüksek frekanslı sesleri kuvvetlendirir, bu yüzden kulağımız yüksek frekanslı seslere karşı duyarlıdır. Kulak kepçesinin bu özelliği ses kaynağının konumuyla ilgili bilgi verir.

Kulağımız Dış Kulak, Orta Kulak ve İç kulak Bölümlerinden Oluşur

Kulak kepçesindeki kanallar sesi kulak kanalına doğru yönlendirir. Böylelikle ses, dış kulağın son sınırı olan kulak zarında odaklanır. Kulak zarında sesten kaynaklı titreşimler hava boşluğundan oluşan orta kulaktaki üç küçük kemik üzerinden iletilir. Kemikler, orta ile iç kulak arasındaki bağlantıyı sağlayan oval pencere isimli elastik zarı hafifçe titreştirir. Oval pencere, iç kulak bölgesindeki sıvıyla dolu kulak salyangozuna bitişik konumdadır. Orta ve iç kulaktaki diğer bir elastik zar olan yuvarlak pencere, oval pencereye zıt fazda, hava boşluğunda çalışır ve oval penceredeki titreşimden kaynaklanan basınç değişimi için bir çıkış oluşturur. Ses uyarıları iç kulaktaki üç katmanda bulunan sıvının hacminde ufak yükselme alçalma hareketlerine sebep olur.

İç kulaktaki kulak salyangozu bir salyangoz kabuğuna benzer sarmal bir yapıdadır ve şakak kemiğine bağlıdır. Kulak salyangozundan enine bir kesit alındığında çeşitli frekanslara duyarlı saç hücreleri bulunur. Kulak salyangozunu oluşturan kemik yapısı öncelikle baziler zar olarak adlandırılan esnek bir zarla çevrilidir. Bir üst katman da epitel hücrelerle çevrilidir. Saç hücreleri, saç hücrelerini çevreleyen destekleyici hücreler ve baziler zar korti organını oluşturur.

Ses uyarısından kaynaklanan dairesel sıvı hareketi baziler zarı dairesel yer değiştirmesine sebep olur ve saç hücreleriyle tavandaki tektoryal (tekteriol) zar arasında kesme kuvveti oluşturur. Bu mekanik uyarı daha sonra elektrik sinyallerine dönüştürülür.

Sesler Mekanik İyon Kanalları Sayesinde Elektrik Sinyaline Dönüştürülür

İnsanlar 20.000 Hertz (20kHz)’e kadar olan hava basıncı dalgalarını ya da her 50 mikro saniyede 1 dalgayı algılayabilir. Bazı hayvanların, örneğin yarasaların, sesleri algılama hassaslığı 100 kHz’e kadar çıkabilir. Peki sesler ne kadar hızlı bir şekilde elektrik sinyaline dönüştürülür?

1970’te yapılan bir deney, kurbağaların işitme saç hücrelerinin mekanik tepkilere karşı 40 mikro saniyelik gecikmeyle depolarize olduğunu göstermiştir. Daha sonra yapılan çalışmalar memelilerde bu gecikme değerinin 10 mikro saniyeden az olduğunu ileri sürmüştür. İşitmenin bu kadar kısa sürede işlenebilmesi, görme ve duyma sistemlerinde gerçekleştiğini bildiğimiz ve işlevini onlarca ya da yüzlerce milisaniye sonra tamamlayan ikincil mesajcı sistemlerin işitme için söz konusu olmadığı düşünülmüştür. Mekanotransdüksiyon yani mekanik uyarının biyokimyasal sinyallere dönüşmesi sürecinin işitme sırasında gerçekleşmesi çok daha uzun bir zaman alırdı. Bunun yerine bilim insanları sesin bir mekanik uyarı olarak direkt iyon kanallarına etki ettiği ve işitme saç hücrelerinin iyon dengesini değiştirdiği savunmaktadır. Peki ama nasıl olabilir?

Duymanın Gerçek Kahramanları: İşitme Saç Hücrelerinin Yapısı

İşitme saç hücreleri, mekanik kuvveti (örneğin ses dalgalarından, yerçekiminden veya titreşimlerden) elektrik sinyaline dönüştüren özel reseptör hücrelerdir. İşitme saç hücreleri tüm omurgalılarda benzer yapıdadır ve mekanik uyarıyı benzer yollarla iletirler. Her bir işitme saç hücresinin stereosilia denilen saç (kirpik ya da kamçı) şeklinde demet demet uzantıları vardır. Bu saç benzeri yapıdaki uzantılara yeterince yakından bakıldığında silindir yapıda ve kendi etrafında dönebilir konumda oldukları görülmüştür. Bir işitme saç hücresinin üzerindeki saçlar tıpkı merdivenin basamakları gibi boya göre artan düzende dizilmiştir. Elektron mikroskobu görüntüleri, her bir uzantının en ucu kendinden daha uzun olan diğer uzantıya ucundan bağlı olduğunu ortaya çıkarmıştır. Uzantıların bu merdiven basamaklarına benzer yapıları ve birbirlerine bağlı oluşları, mekanik bir uyarının hücre üzerinde nasıl mekanik değişikliklere sebep olduğunu açıklar niteliktedir.

Stereosilia Birbiriyle Doğru Şekilde Bağlantı Kuramazsa İşitme Kaybıyla Sonuçlanabilir

Sağırlık, her 500 insandan birinde bulunan ve en sık görülen kalıtsal duyu organı hasarıdır. Yaklaşık 100 gende tespit edilen mutasyonlar sendromlu ya da sendromsuz işitme kaybına sebep olur. İşitme kaybıyla ilişkili bulunan genlerin hücre iskeletini oluşturan ve mekanik destek sağlayan aktin iplikçiği, aktinle ilişkili proteinler ve miyozin motorlarını çalıştıran genler olduğu bilinmektedir. Bu yüzden mutasyonlar korti organındaki işitme saç hücrelerinin gelişimini, yapısını ve fonksiyonunu etkiler. Sağırlık genlerinden biri Ca-bagli çalışan hücre adezyon moleküllerinden kaderin-23 (cadherin) proteinini kodlarken bir diğeri protokaderin-15 (protocadherin) proteinini kodlamaktadır. Bu iki proteinin işitme saç hücrelerindeki saç uzantılarının uç bağlantısını sağlamakta görevli olduğu bilinmektedir. Dolayısıyla bu proteinlerin kaybı işitme saç hücre uzantılarının doğru fiziksel etkileşimlerini kısıtlamaktadır.

Bir Ses Dalgası Saç Hücrelerine Ulaştığında Hücrede İyon Değişimine Sebep Olur

Komşu uzantılar bir ses dalgası onlara ulaştığında hareketlenir ve hücrelerde mekanik etkiye duyarlı kanalların açılmasına sebep olur. Stereosilianin bulunduğu sıvının potasyum (K) iyonu yoğunluğu çok yüksektir (yaklaşık 150 mikromolar) ve iyon kanallarının açılması hücre içine çok fazla K iyonu girmesiyle sonuçlanır. Hücre içinde K miktarı artması da voltaja duyarlı kanalların açılıp Kalsiyum (Ca) iyonlarının içeri girmesine sebep olur. Bunun sonucunda glutamat nörotransmiteri salgılanır ve yakındaki spiral gangliyon sinir hücresinin depolarize olması sağlanır. Bu hücre kulak salyangozuna yakındır. Spiral gangliyon hücrelerinin bir ucu işitme saç hücreleri ile temas halindeyken diğer ucu da işitme sinirine temas etmektedir. Bu yüzden spiral gangliyon hücrelerinde iyon dengesi değişimi işitsel bilginin beyne ulaşmasını sağlar.

Saç Hücrelerinde İyon Geçirgenliğinin Bozulması İşitme Kaybına Sebep Olabilir

Sağırlığa sebep olan baskın mutasyonlardan ikisinin de transmembran (zarın içinden gecen) kanal benzeri protein 1 ve 2 genlerinde olduğu bulunmuştur. Bu genlerin nükleotit dizilimi diğer iyon kanallarıyla benzerlik göstermemektedir ama bu proteinler mekanik etkiye duyarlı kanalların temel bir parçasını oluşturur. Transmembran kanal benzeri protein 1 (Tmc1) ve Tmc2 proteinleri doğru sentezlenmeyen farelerde işitme saç hücrelerinin depolarize olamadığı tespit edilmiştir. Daha spesifik olarak, Tmc1 proteininin birkaç amino asidi değiştiğinde mekanik etkiye duyarlı kanalın iyon geçirgenliğinin bozulduğu gözlemlenmiştir. Bu da Tmc1 proteininin, mekanik etkiye duyarlı kanalın yapısında por oluşturan bölgesinde bulunduğunu düşündürmüştür. İyon seçiciliğini bozan mutasyonların da insanlarda sağırlığa sebep olduğu bilinmektedir.

Özetle işitsel uyarı, birden çok mekanik uyarının bir araya gelerek işitme saç hücrelerinin uzantılarını birbirine bağlayan uç noktalardaki iyon kanallarının açılmasıyla daha ileri bölgelere iletilir.