Tüm duyu organlarımızın ortak görevi; duyusal uyartıları elektrik sinyallerine çevirmek ve bu uyartılara karşı hassaslığı, seçiciliği, hızı ve güvenilirliği artırarak hem hayvanların hayatta kalmasında hem de üremesinde kolaylık sağlamaktır. Her bir duyu sistemimizin sorumlu olduğu uyartının fiziksel özelliklerine göre -göz için ışık ve kulak için ses- kendine özgü özellikleri vardır.
Koklama, tatma, işitme ve dokunma duyuları arasında koklama, sahip olduğu çok fazla sayıda koku reseptörü ve beynin en dış katmanı olan korteks ile direkt bağlantıya sahip olması sebebiyle diğer duyu sistemlerinden farklılık gösterir.
Somon balıkları koku duyularına güvenerek doğdukları akarsuya geri döner. Somon balıklarının etkileyici bir yaşam döngüsü vardır. Tatlı suda doğarlar ve 1-2 yıl tatlı su akıntılarında yaşarlar. Daha sonra zengin besin kaynaklarına ulaşmak için okyanusa doğru yüzerler ve büyürler. Üreme çağına eriştiklerinde okyanustan ayrılıp birçok zorlukla ve benzer akıntılara karşı yüzerek kendi doğum yerleri olan akarsuya geri dönerler. Kendi bölgelerine dönüp yumurtladıktan kısa süre sonra da ölürler.
Somonların bu döngüsünü tamamlamasında koku duyularının çok kritik bir rolü vardır. Topraktaki bölgesel farklılıklar ve bitki örtüsü her bir akarsuya özgü kimyasal yapı ve koku oluşturur. Bu koku kendi akarsu bölgesinden ayrılırken genç somon balığının hafızasına kazınır. Okyanusta büyüyüp geliştiğinde eve dönme vakti gelir, koku hafızasını kullanarak kendi evine yani akarsuyuna ulaşır.
Michigan Gölü’nde yapılan bir çalışmada genç somon balıkları iki gruba ayrılmış ve iki farklı kimyasala -morfolin ve fenil etil alkol- maruz bırakılmışlar. 18 ay sonra bu genç somonlar yetişkin olarak evlerine döndüğünde, gençliğinde morfoline maruz bırakılanların %90’ı morfolin olan akarsu bölgesinde ve fenil etil alkole maruz bırakılanların %90’ı da fenil etil alkol olan akarsu bölgesinde bulunmuştur. Somon balıklarının bu yüksek bölgesel özgüllüğü koku hafızası hipotezini desteklemiştir.
Somon balığının eve dönme hikayesi koku almanın hayvanların yaşamını nasıl etkilediğine dair örneklerden yalnızca biridir. Primat yaşamında koku alma duyusu diğer hayvanlara kıyasla bir nebze geri çekilmiş olsa da koklama hayvanlar dünyasında; yiyecek bulma, yırtıcılardan korunma ve eş aramanın birincil yoludur.
Kokulu maddeler genellikle hava yoluyla taşınan uçucu moleküllerdir. Bu parçacıklar havada çözünür ve burna ulaştığında burnun içindeki mukus tabakasından geçer. Koku molekülleri ilk olarak koku alma sinir hücrelerinin kıl şeklinde özelleşmiş (olfaktör silya) hücre uzantılarına ulaşır. Koku moleküllerinin koku alma sinir hücrelerindeki reseptörlere bağlanmasıyla sinyalleşme başlar.
Koku moleküllerinin tanınması için duyusal nöronlarda aksiyon potansiyali oluşturulur, iç ve dış iyon dengesi değişir. Ortaya çıkan elektriksel sinyal, sinir hücrelerinin aksonları üzerinden beyindeki ilk koku işleme merkezi olan koku soğancığı bölgesine ulaşır. Koku soğancığında sinir hücrelerinin ulaştığı glomerulus (tekil, çoğul: glomeruli), yani sinir hücresi kümecikleri bulunur. Her bir glomerulus bölgesinde bir araya gelen duyusal sinir hücreleri, buradan beynin daha ileri bölgelerine uzanan sinaps sonrası gelişen nöronlarıyla bağlantılar kurar.
Koku alma mekanizmasını anlamak için sorulacak birincil soru: “Bir koku molekülünün reseptörüne bağlanması nasıl elektriksel sinyal oluşmasına sebep olur?” sorusudur. G-protein Bağlı Reseptörler koku moleküllerinin bağlandığı reseptörlerdir. Bunlar tıpkı görsel işlemede görev alan fotoreseptör hücrelerindeki rodopsin reseptörü gibidir. Aralarındaki fark işledikleri sinyallerin türlerinden kaynaklıdır. Rodopsinler ışığın temel birimi olan fotonların emilimiyle etkin hale gelirken, koku alma sistemindeki G-protein bağlı reseptörler koku moleküllerinin bağlanmasıyla aktifleşir.
Kokular çoğu zaman çeşitli yapı ve özellikteki uçucu kimyasalların karışımından oluşur. Şimdiye kadar yapılan çalışmalar gösteriyor ki, çeşitli kimyasal özellikteki koku molekülleri birçok sinir hücresini aktive edebilir ya da her bir sinir hücresi birçok koku molekülü tarafından aktifleştirilebilir. Yani her bir kokuya atanmış tek bir sinir hücresi yoktur. Tam aksine, kokuların kimliği birçok sinir hücresinden alınan çıktılara göre belirlenir. Diğer bir deyişle, kokular birçok sinir hücresine dair bilginin kıyaslanmasıyla kimlik kazanır. Bu durum, görsel işleme metninde incelediğimiz gibi gözde renklere ait bilgilerin farklı koni hücrelerinin etkinliklerinin kıyaslanmasıyla ortaya çıkmasına benzer. Fakat renklerin görülmesinde yalnızca iki ya da üç girdi varken koku alma sisteminde yüzlerce girdi kanalı paralel şekilde çalışır.
Renklerin belirlenme mekanizmasının anlaşılması için rodopsin proteinlerine ait genlerin incelenmesi yöntemi gibi koku reseptör genlerinin çalışılması da koku alma sistemlerinin çözümlenmesi için yol göstericidir. Görsel işlemede rol oynayan rodopsinler, inek kanından ayrıştırılarak çalışılmıştır. Fakat koku reseptörleri için buna benzer şekilde saflaştırılmış bir protein elde edilememiştir. Bunun yerine, bilim insanları moleküler biyoloji ve genetik alanında temel yöntemlerden olan polimeraz zincir reaksiyonu (Polymerase Chain Reaction-PCR) tekniğini kullandılar. PCR, hücrede düzenli olarak gerçekleşen DNA eşlenmesi mekanizmasını taklit eder. Bu reaksiyon için DNA’da ilgili gene bağlanabilen ve 8-50 nükleotitten oluşan primerler ile hücre ortamı oluşturan malzeme ve enzimler bir arada bulunmalıdır. Hepsinin bir araya gelmesiyle örnekteki DNA ya da ilgili gen eşlenir. Bu reaksiyon, döngü halinde birçok kez tekrarlanarak ilgili gen çoğaltılır.
1991 yılında bilim insanları G-protein bağlı reseptörlerin hücredeki miktarının artmasına sebep olduğu bazı molekülleri, koku almayla ilişkili bir mekanizmada tespit ettiler. Bu yüzden koku alma reseptörlerinin görsel işlemede aktif olan rodopsinin ait olduğu G-protein bağlı reseptör ailesinden olduğunu varsaydılar. Bilinen G-protein bağlı reseptörlerde sıkça görünen protein bölgelerinin (domainlerin) gen bilgilerini kullanarak bu bölgelere özgü primerler üretmişlerdir. Daha sonra, sıçanlardan alınan burun epitel dokusunda hangi genlerin aktif olduğunu, yani sıçan burnunda hangi proteinlerin üretilmekte olduğunu anlamak için doku örneğinden gen ifade analizi yapmışlardır. Üretilen primerler birçok mesajcı RNA (mRNA)’ya bağlanması tahminen 1.000 farklı koku reseptörün varlığına işaret etmiştir.
Günümüzde, genom sekanslama tekniklerindeki gelişmeler ve İnsan Genom Projesinin de tamamlanmasıyla postgenomik çağdayız. Bu yöntemlerle memelilerdeki koku reseptör genlerinin sıra dışı bir çeşitliliğe sahip olduğu kanıtlanmıştır. Koku alma reseptörleri memelilerin genomundaki en kalabalık gen ailesini oluşturmaktadır. Örneğin, farede yaklaşık 1063 adet fonksiyonel koku reseptörü tespit edilmiştir. İnsanda da yaklaşık 388 fonksiyonel koku reseptörü vardır. Bu bilgiye dayanarak anlıyoruz ki koku alma duyumuz; farelerin, sıçanların ya da domuzların koku alma duyuları kadar gelişmiş düzeyde olmayabilir. Çünkü bu hayvanların her birinde 1000'in üzerinde koku alma reseptörü tespit edilmiştir.
İnsanlar arasında da herkesin koku alma kapasitesi veya kokulara karşı olan hassasiyeti farklılık gösterebilir. Örneğin, bazı insanlar yanmakta olan yemeğin kokusunu diğerlerinden daha erken fark edebilir. Memelilerde sosyal etkileşimlerde rol oynayan koku moleküllerinden androstenon, koku hassasiyetine diğer bir örnek olarak verilebilir.
Androstenon, yurtdışında hayvancılıkta önem arz eden dişi domuzların eşleşmesinde kullanılır. Bu koku bazı insanlar tarafından vanilya benzeri bir koku yani hoş bir koku olarak algılanırken diğerlerine mide bulandırıcı gelir. Androstenon çeşitli şekillerde hoş olmayan (idrar, ter) veya hoş bir kokuya (tatlı, çiçeksi) sahip olarak tanımlanır, ancak insanların bir kısmı onun varlığını tespit algılayamaz. Dahası, androstenon domuzlarda bir feromondur ve insanlarda idrarda ve koltuk altı terinde bulunur, bu da onu insanlarda koku aracılı iletişim için olası bir aday haline getirir. Androstenonun insan feromonu olarak rolü tartışmaya açık olsa da, yaygın olarak kabul edilen bir bulgu, androstenona başlangıçta duyarsız olan insanların sürekli maruz kaldıktan sonra ona karşı duyarlılık kazanma yeteneğidir. Bazılarımızın ter kokusuna hiç tahammülü yokken bazılarımızın umursamamasının sebebi de muhtumelen budur. Androstenon ayrıca trüf mantarının da özel kokusunu kazanmasını sağlamıştır.
Genetik benzerlikleri çift yumurta ikizlerinden daha yüksek olan tek yumurta ikizlerinde yapılan çalışmalarda, tek yumurta ikizlerinin androstenon kokusuna karşı seçiciliği benzerlik göstermiştir. Bu yüzden genetik bileşenlerin koku almadaki etkisinin güçlü olduğu düşünülmektedir. İnsanlarda bulunan androstenon kokusunu alma reseptörüne ait gen sekansının bireyden bireye farklılık gösterdiği bulunmuştur. Her bir koku alma sinir hücresinde tek çeşit koku reseptörü vardır.
Farelerin burun epitel dokusunda 5 milyon koku alma sinir hücresi tespit edilmiştir. Farelerde 1000 farklı koku reseptörü olduğunu da biliyoruz. Her bir koku sinirinin birçok kokuya tepki verdiğini düşünürsek ya her bir nöronda birçok koku reseptörü mevcut olmalı ya da her bir nöronda birçok koku molekülünü tanıyabilen tek bir koku reseptörü bulunuyor olabilir.
Bu durumu netleştirmek için burun epitel dokusunda bir çalışma yapılmıştır. Gen ifadesini anlamak için yapılan in situ (dokuda) melezleme tekniğiyle tek bir koku reseptörünün dokuda hangi bölgelerde üretildiği çalışılmıştır. Reseptörü kodlayan genin dokuda dağınık bir şekilde ifade edildiği görülmüştür. Her bir koku reseptörünün koku alma sinir hücrelerinin yalnızca %0.1’inde ifade edildiği görülmüştür. Bu da her bir koku alma nöronunda tek koku reseptörü bulunduğunu gösterir. Tek hücre RNA Sekanslama yöntemiyle de bu durumu destekleyici kanıtlar elde edilmiştir.
Her bir koku alma siniri burun epitel dokusunda boyuna bir dağılım göstermektedir. Ancak burun epitel dokusundaki sinirler belirli bir yapısal organizasyona sahip değildir. Dokunun yatay kenarına paralel olarak bakıldığında, her bir koku nöron türü bu bölümün yaklaşık çeyreği kadar bir kısımda konumlanmıştır. Farklı reseptörleri taşıyan farklı koku nöronları hem doku boyunca hem de kısa kenar ekseninde iç içe geçmiş durumdadır. Koku nöronlarının bu şekilde yayılması, koku moleküllerinin geniş bir yüzey alanı boyunca işlenmesini ve koku tespitinde hassaslığı artırmaktadır.
Koku alma nöronu tek bir koku reseptörüne sahip olduğuna göre faredeki koku reseptörlerinin yaklaşık 1000 çeşit olduğunu söyleyebiliriz. Her bir koku alma hücresi birden fazla koku molekülünü tanıdığına göre her bir koku reseptörünün birden çok koku molekülü tarafından aktifleşebiliyor olması gerekir. Kokuların kimlikleri için ise reseptörlerden gelen bilgilerin kombinasyonuyla bir kod oluşur.
Koku almanın bu şekilde kombinasyonlu bir kodlamaya bağlı olması muhteşemdir. Örneğin, her bir koku molekülü 2 farklı reseptörü aktifleştirse ve bu iki reseptörün ortak etkisi tek bir koku algısına karşılık geliyor olsa, 1000 reseptör olan bir organizmada teoride yarım milyon (1000 reseptör arasından rastgele 2’sinin seçilme olasılığı: 1000 x 999 / 2) farklı koku algısı ortaya çıkabilir. Bu sayı bir koku molekülünün 2 değil de daha fazla reseptörü aktifleştirebilmesiyle ya da reseptörlerle farklı sürelerde etkileşmesiyle daha da artabilir. İşte bu sayede koku alma sistemimiz çok geniş bir koku çeşitliliğini algılayabilir özelliktedir.
Koku soğancığında koku alma sinirlerinin bir araya geldiği bölgeler olan kümecikler -glomeruli- mitral (külahsı) ve püsküllü hücrelerle bağlantı kurar. Mitral ve püsküllü hücreler koku soğancığının çıktılarını ileten sinir hücreleridir. Bu hücre tipleri birbirlerine benzer özellikler gösterir. Örneğin, ikisi de uyarıcı özellikteki glutamaterjik nöronlar yani glutamat nörotransmitteri salgılayan sinir hücreleridir. Mitral ve püsküllü hücrelerin hepsi beyinde koku alma korteksine ulaşır. Ancak hücre gövdelerinin konumları, cevap oluşturmaları ve akson uzantı biçimleri itibariyle farklılık gösterirler.
Gen mühendisliği alanındaki gelişmeler sayesinde koku alma sinirlerinin koku soğancığında oluşturduğu kümeler incelenmiştir. B-galaktosidaz adlı enzim, fare koku soğancığındaki sinir hücrelerinin akson uçlarında çok üretilen tau proteiniyle birlikte üretilecek şekilde düzenlenmiştir. Bu enzimin aktif olduğu bölgeler mavi renktedir. Böylelikle aynı reseptöre sahip hücrelerin aynı glomerulus bölgelerinde bir araya geldiği görülmüştür.
Koku soğancığındaki nöronlar retinada olduğu gibi uyarıcı bir yolağa ulaşır.
Fotoreseptörler → bipolar hücreler → gangliyon hücreler
Koku alma sinir hücreleri → mitral hücreler → uyarıcı yolak
Bir kokuya ait reseptörleri taşıyan nöronlar, koku soğancığında kümecikler (glomeruli) oluşturur. Her bir kümecikte birer mitral hücrenin hücre ucunu bulunur. Bu yüzden, her bir glomerulus ayrı ayrı koku işleme kanalı olarak fonksiyonunu yerine getirir. Her bir glomerulus binlerce nörondan bilgi alır. Bu kümeciklerin her birinin çıktıları ise yaklaşık 25 mitral hücre ile taşınır.
Koku soğancığında da aynı retinadaki gibi bölgesel ara nöronlar (internöron) vardır. Bu hücrelerin uzantıları koku soğancığındadır. Koku soğancığındaki ara nöronların sayısı mitral ve püsküllü hücrelerden yaklaşık 100 kat daha fazladır. Glomerulida koku alma hücrelerinden bilgi alıp mitral hücrelere ileten yani bu hücreler arasındaki bağlantıyı sağlayan internöronlara periglomerular hücreler denir.
Mitral hücrelerden bilgi alan internöronlara da granül hücreler denir. Mitral hücrelerin granül hücrelerle de etkileşmesini sağlayan ikincil dendrit uzantıları vardır. Mitral hücrelerin ikincil dendritleri ve granül hücrelerin dendritleri bağlanarak dendro-dendritik sinapsları oluşturur. Bu sinaps boşluklarının özelliği mitral hücrelerin granül hücreleri uyarması ve bunun karşılığında o mitral hücrenin uyarılan granül hücre tarafından etkisiz hale getirilmesidir. Böylelikle periglomerular ve granül hücreler, retinal devredeki yatay ve amakrin hücrelere benzer yapı ve görevdedir.
Koku alma sistemi talamus bölgesinden geçmeden beyne ulaşan tek duyu sistemidir. Mitral ve püsküllü hücreler direkt olarak beynin dış katmanındaki koku almayla ilişkili bölgelere ulaşır. Yani beynimizdeki koku işleme merkezi algıladığımız dünyaya sadece iki sinaps boşluğu kadar uzaktır diyebiliriz.
İki fotonlu kalsiyum görüntüleme tekniğiyle görülmüştür ki en geniş koku alma bölgesi olan prifrom korteksteki nöronlar, farklı kokular tarafından aktifleşir. Ancak belli bir üç boyutlu düzene sahip değillerdir. Mitral hücreler ile priform korteks arasındaki nöron bağlantılarının düzensizliğinin fonksiyonu, nöronların birçok bölgeden gelen koku işleme kanalları halinde burada toplanarak farklı kombinasyonlar oluşturması olabilir. Bunu destekler nitelikteki bir çalışmada, mitral hücrelerden bilgi alan priform kortekse ait piramitsi nöronların buradaki diğer piramitsi nöronlarla bolca bağlantılar kurduğu görülmüştür.
Bu düzensiz yapı diğer bölgeler için geçerli değildir. Örneğin, beynin kortikal amigdala bölgesine ulaşan hücreler daha düzenli biçimdedir. Bu bölgede her bir nöronun tek bir glomerulusa ve koku işleme kanalına bağlı mitral hücrelerden direkt bilgi aldığı gözlemlenmiştir.
Piriform kortekse gelen bilgiler koku soğancığının belli bir bölgesine ait değildir ancak amigdala böglesine ulaşan nöronlar çoğunlukla koku soğancığının arka bölgesindeki (dorsal) glomerulidan gelmektedir. Dorsal glomeruli’ın ameliyatla çıkarıldığı bir deneyde farelerin içgüdüsel olarak kaçındığı idrar veya çürümüş yiyeceklerin kokularından kaçmadıkları fark edilmiştir. Bu deneyin sonuçlarına bakılarak bu glomeruli’nin özelleşmiş bazı kokuların içgüdüsel davranışların eşleşmesinde önemli olacağı düşünülmüştür.
Özetle, koku soğancığı farklı kortikal bölgelerde çeşitli şekillerde bulunmaktadır, yapılardaki değişiklikler farklı amaçlara hizmet edebilir.
Yalnızca memelilerde bulunan aksesuar koku alma sistemi (vomeronazal), ana koklama sistemiyle paralel çalışan ve uçucu olmayan kimyasalların algılanmasına katkı sağlayan bir sistemdir. Bu sistem, yapısal ve biyokimyasal olarak ana koku alma sisteminden farklıdır.
Vomeronazal (burun ve ağız arasındaki vomer kemiğiyle ilişkili) organ ya da diğer adıyla Jacobson organı bu sistemden sorumludur. Burnun en uç kısmında bulunan bu organ, yapısındaki dar ve sıvı taşıyan bir kanal aracılığıyla uçucu olmayan koku kimyasallarını algılayabilir. Bilgiler bu kanaldan alınır ve koku soğancığının bitişiğindeki aksesuar koku soğancığına ulaşır.
Aksesuar koku sistemine ait mitral hücreler de vardır. Ancak bu mitral hücreler beyinde ana koku sisteminin ulaştığı bölgelerden farklı bölgelere uzanır ve bilgileri oralara aktarır. Vomeronazal organdaki koku alma sinir hücreleri ya V1R ya da V2R gen ailesine ait türde reseptör barındırır. Bu reseptörler hem birbirlerinden hem de ana koku alma sistemindeki reseptörlerden farklılık gösterirler.
V1R ve V2R reseptörlerini sağlam olarak kodlayan genlerin sayısı memelilerin türlerine göre değişir. Örneğin, farede yaklaşık 300 gen varken primatlarda sadece birkaç tane bulunur. Bu yüzden aksesuar koku alma sisteminin fonksiyonu memeliler arasında farklıdır.
Vomeronazal reseptörlerin bazılarının idrar, gözyaşı ve deri salgılarında bulunan feromonları tespit ettiği bilinmektedir. Örneğin farelerde idrar, erkek fareler tarafından kendilerine ait bölgeyi belli etmek amacıyla kullanılmaktadır. Aksesuar koku sisteminin buna benzer davranışlarda önemli rolü vardır.
