Koku ve Tad
32 Principles of Neuroscience
KOKU ve TAD: Kimyasal Duyular
Kokular Nazal Olfaktör Duysal Nöronlarla Saptanır
Farklı Koku Molekülleri Farklı Olfaktör Duysal Nöronları Uyarır
Büyük Bir Koku Reseptör Ailesi Geniş Bir Koku Yelpazesinin Ayırt Edilmesine Olanak Sağlar
Koku Molekülü ile Reseptör Arasındaki Etkileşim Duysal Nöronun Depolarizasyonuna Yol Açan Bir İkinci Haberci Sistemini Harekete Geçirir
Farklı Olfaktör Nöronlarda Farklı Koku Molekülü Reseptörleri Bulunur
Koku Molekülü Bilgisi Yersel Olarak Olfaktör Bulbusta Kodlanır
Koku Molekülü Bilgisi Olfaktör Bulbustan Neokortekse Doğrudan ve Talamus Yoluyla İletilir
Feromonlar Türe Özgü Kimyasal İleticilerdir
Vomeronazal Organ Feromonlarla İlgili Bilgiyi İletir
Vomeronazal Organdaki Duysal Transdüksiyon Burundakinden Farklıdır
Olfaktör Keskinlik İnsanda Bireyler Arası Farklılık Gösterir
Omurgalılar ve Omurgasızlar Kimyasal Duyu Bilgisini İşlemek İçin Farklı Stratejiler Kullanır
Tad Uyaranları Ağızdaki Tad Hücreleri Tarafından Saptanır
Tad Hücreleri Tad Tomurcuklarında Toplanmıştır
Dört Farklı Tad Modalitesinin Algısına Çeşitli Mekanizmalar Aracılık Eder
Tad Bilgisi Kortekse Talamusta Bilgi İşleme Uğrayarak Taşınır
Farklı Tad Duyumları, Aferent Lif Popülasyonundaki Farklı Aktivite Örüntülerinden Kaynaklanır
Lezzet Duyumu (Algısı) Güstatör, Olfaktör ve Somatoduysal Girdilerin Bileşiminden Oluşur
Çevremize yayılan moleküllerin sürekli bombardımanı altındayız. Bu moleküller bize koku ve tad duyuları aracılığıyla günlük hayatımızda sürekli olarak kullandığımız önemli bilgiler sağlar. Bize yiyeceklerin varlığı ve onlardan kaynaklanacak potansiyel zevk veya tehlike hakkında bilgi verirler. Bunların yanı sıra yediğimiz yiyeceklerin sindirimi ve kullanımı için gereken fizyolojik değişiklikleri başlatırlar. Çoğu memelide koku duyusunun bir başka rolü daha vardır: Aynı türün üyelerine karşı verilen fizyolojik ve davranışsal tepkileri ortaya çıkarmak.
İnsanlar ve diğer memeliler büyük bir koku ve tad çeşidi ayırt etme yetisine sahiptir. İnsanlar, olfaktör yetilerinin diğer bazı memelilere göre sınırlı olmasına rağmen, binlerce değişik koku molekülü (etkeni) algılayabilir. Koku moleküllerini ayırt etmede hayli eğitimli olan parfümcüler 5000 değişik çeşit koku molekülünü ayırt edebildiklerini söylerler. Şarap tadıcıları ise tad ve aromaya dayanan 100'den fazla farklı tad bileşenlerini ayırt edebildiklerini söylemektedirler.
Koklanan veya tadılan moleküller burun veya ağızda bulunan ve beyine bilgi ileten özelleşmiş duyu hücreleri tarafından duyumsanır. Olfaktör sistemde duyu hücreleri, nazal boşluğun arka tarafındaki özelleşmiş bir nöroepitelyum boyunca uzanan olfaktör duyu nöronlarıdır. Tad uyaranlarını (etkenlerini) alan ağızdaki duyu hücreleri tad hücreleri denilen özelleşmiş epitel hücrelerdir ve tad tomurcukalarına dağılmış durumdadırlar. Tad hücreleri dört temel tad uyaranı tipini algılayabilirler: Acı, tatlı, tuzlu, ve ekşi. Tad ile bağdaştırdığımız geniş lezzet çeşitleri, çiğneme ve yutma sırasında nazal boşluğun arkasından olfaktör sisteme ulaşan uçucu moleküllerle birlikte, bu dört kategoriye düşen moleküllerin karmaşık karışımlarından meydana gelir. Somatoduysal sistem de tadda bir rol üstlenir: Yiyeceklerin dokusunu / kıvamını hisseder ve olfaktör sistemin de yardımıyla tad duyumlarını ağza yerleştirir.
Bu bölümde koku ve tad uyaranlarının nasıl saptandığı ve nasıl beyine iletilen nöral sinyal paternleri halinde kodlandığı incelenecektir. Son yıllarda olfaktör duyu nöronları ve tad hücrelerindeki sinyal algılama ve transdüksiyon mekanizmaları hakkında çok şey öğrenilmiştir. Bu hücrelerin bilgi almak ve iletmek için uyguladıkları stratejiler, belli reseptörleri, sinyal transdüksiyon moleküllerini, ve diğer nöral ve nöral olmayan sistemlere benzer şekilde iyon kanallarını kapsar. Ayrıca, olfaktör ve güstator bilginin iletildiği nöral yollar, ve olfaktör ve güstator sistemlerin çevredeki kimyasal uyaranları ayırt etmek için kullandığı organizasyonel stratejiler de bu bölümde incelenecektir.
Kokular Nazal Olfaktör Duyu Nöronlarıyla Saptanır
Olfaktör algının ilk basamağı burundaki olfaktör duyu nöronlarında gelişir. Bu nöronlar, insanlarda nazal boşluğun arkasında 5 cm2lik bir alanı kaplayan küçük bir özelleşmiş epitelyum parçası olan olfaktör epitelyumda yerleşmiş bulunmaktadır (Şekil 32-1).
İnsandaki olfaktör epitelyum "glia"ya benzer destek hücreleriyle birlikte yer alan birkaç milyon olfaktör duyu nöronu içerir ve her ikisi de temel bir kök hücre katmanının üstünde bulunur (Şekil 32-2).
Olfaktör nöronlar, kısa ömürlü olmaları - ortalama yalnızca 30-60 gün - ve sürekli olarak temel kök hücre popülasyonundan ikame edilmeleriyle diğer nöronlardan ayrılırlar.
Olfaktör duyu nöronu bipolar bir sinir hücresidir (Şekil 32-2). Apikal kutbundan tek bir dendrit çıkar, genişleme bölgesi oluşturur, buradan 5-20 sil örtücü müküs içinde serbeste salınır. Bazal kutuptan tek bir akson çıkar, kribriform damağı delerek, olfaktör bulbusa uzanır. Buradaki bir dizi sinapstan sonra bilgi, olfaktör kortekse uzanır..
Olfaktör nöronun silleri koku "yakalamak" / bellemek üzere özelleşmiştir. Müküs, destek hücreler ve Bowman bezleri tarafından oluşturulur ve salgılanır. Bu, gerekli moleküler ve iyonik ortamı sağlar. İçinde, çözünebilir (OBP) koku bağlayan proteinler bulunur. Molekül yoğunlaştırma, membrandan taşıma veya uzaklaştırma işlevi görürler.
Farklı Koku Etkenleri Farklı Olfaktör Duysal Nöronları Uyarır
Fark edilebilmesi için koku etkeninin burundan beyine iletilecek belirli bir sinyale neden olması gerekir. Bu, öncelikle, her bir olfaktör nöronun farklı koku etkenlerine farklı duyarlılıkta yanıt vermesi ile sağlanır (Şekil 32-3). Bu yanıt depolarizasyon (jeneratör potansiyeli) ve aksiyon potansiyelinden oluşur. Yüksek yoğunluktaki koku etkeni (molekülleri) daha çok sayıda nöronu uyarır. İnsanların farklı yoğunluklarda koku etkeni ile karşılaştıklarında, farklı kokular algılıyor gibi hissetmeleri buna bağlıdır. (Mikrozmatik bir tür olan insanda, koku türü ayırdetme yetisi oldukça iyi geliştiği halde, aynı kokunun şiddet farkını algılayabilme yetisi oldukcça zayıftıt: Koku etkeni moleküllerin yoğunluğunda %30luk bir gdeğişikliği gerektirir. Oysa, insanda, görsel şiddet farkı algısı için ışık yoğunluğunun %1 düzeyinde değişmesi yeterlidir.)
Büyük Bir Koku Reseptör Ailesi Çok Geniş Çeşitlilikte Koku Etkeninin Ayırt Edilmesini Sağlar
Burun boşluğuna girip, müküs içinde çözünen uçucu koku etkenleri, olfaktör duysal nöronların sillerinde bulunan koku reseptörleri ile yakalanır / saptanır. İlk kez sıçanda tanımlanmış olan büyük bir multigen ailesi, insanda da mevcuttur, türler arası çok farklılık gösterir ve yaklaşık 1000 adet reseptörü kodlar. Bu reseptör birçok ortak özelliklerine ve yapılarındaki ortak amino asid dizilişlerine karşın, herbiri tek ve farklıdır (Şekil 32-4). Bu çeşitlilik, çok farklı boyut, biçim ve işlevsel gruptaki koku molekülünün saptanmasını, yani canlının koku evreninin zenginliğini sağlar. Koku reseptörleri, heterotrimerik GTP bağlayan proteinlerle etkileşerek transdüksiyon gerçekleştiren, yapısal benzerlik gösteren büyük bir reseptör süper ailesine aittir. Diğer G proteinle eşleşen reseptörlerde olduğu gibi bunların da membranı yedi kez kateden hidrofobik bölgeleri bulunur (Şekil 32-4). Diğer G proteinle eşleşen reseptörlerde, özellikle beta adrenerjik reseptörlerde olduğu gibi bunların da çoğunda ligand ile etkileşme sonucu transmembran bölgelerin oluşturduğu bir ligand bağlayan cep oluşumuna yol açar. İlginç bir özellik olarak, özellikle membranı kateden bölge amino asid dizilişlerinin farklı olması özgül ligand çeşitliliğini de açıklamaktadır.
Koku Etkeni ile Reseptör Etkileşimi Duysal Nöronda Depolarizasyona Yol Açacak Bir İkinci Haberci Sistemini Harekete Geçirir
Koku molekülleri, olfaktör sil preparatlarında adenilat siklaz ve cAMP düylerini artırırlar. Bu, GTPye bağımlıdır, yani bir G proteinle eşleşmeyi gerektirir. Sillerde, siklik nükleotidlerin aracı olduğu iyon geçişi de cAMP artışı ve membran depolarizasyonu bağıntısını düşündürür.
Bu modelde, koku molekülü ile reseptör etkileşimi, reseptör ile heterotrimerik G protein etkileşimine yol açar, GTP ile eşleşen alfa alt birimin (Gαolf ) serbestleşmesine ve adenilat siklazı uyarak cAMP artışına neden olur. Bu da, siklik nükleotid kapılı iyon kanallarının açılmasına, depolarizasyon ve jeneratör potansiyeline yol açar. Ayrıca, koku etkeninin bağlanmasını izleyen inozitol trifosfat, cGMP ve karbon monoksid kaskatları da aktive olabilmektedir; ancak bunlar transdüksiyondaki rolleri henüz bilinmemektedir.
Hoş olmayan bir kokuya sürekli maruz kalırsak, bir süre sonra onu farketmez oluruz. Ancak, temiz havayla kısa bir karşılaşma sonrası yine kötü kokuyu almaya başlarız. Bu adaptasyonu açıklayan iki farklı fizyolojik mekanizma vardır: Birincisi, reseptör ile ligand etkileşiminin, reseptörün bir tirozin kinaz ile fosforillenmesi sonucu duyarsızlaşarak (desansitizasyon) etkinliğini yitirmesidir. İkincisi - görsel sistemdeki adaptasyona benzer biçimde - olfaktör nöronun, siklik nükleotid kapılı iyon kanallarının cAMPye duyarlılığını, ortamdaki ligand yoğunluğuna göre ayarlaması yolu iledir.
Farklı Olfaktör Nöronlarda Farklı Koku Reseptörleri Bulunur
Bin farklı koku etkenini nasıl algılıyor ve ayırabiliyoruz? In situ hibridizasyon çalışmaları, her nöronun yalnız bir tür koku reseptörü içerdiğini göstermiştir. PCR çalışmaları da bu bulguyu desteklemiştir. Yani reseptör ve duysal nöron düzeyinde bir koku özgüllüğü vardır.
Kemirgenlerde, olfaktör epitelin dört ayrı bölgesinde farklı koku reseptör gen tanımlanması vardır (Şekil 32-6). Aynı reseptöre sahip nöronlar bir bölgeye özel olarak yerleşmiştir. Bu da koku bilgisinin daha nazal epitel düzeyinde dört grupta organize olduğunu gösterir. Bunun fizyolojik önemi bilinmemektedir. Farklı epitelyal bölgelerden yine farklı olfaktör bulbar bölgeye projeksiyonlar vardır. Yani, bu düzen, ikinci sıra / aşama organizasyonda da korunmaktadır.
Bu düzenlenmede dikkat çeken bilgi şifrelemenin geniş yaygınlığı, olfaktör epitelin bilgi toplama işlevini en üst düzeye çıkarmak için olsa gerektir. Herhangi bir koku molekülünün, burun boşluğunun hemen her bölgesinde saptanabilir olması, bu etkene yanıt verilebirliğin garantisi gibidir. Çünkü, yaşlanma veya enfeksiyon nedenli kısmi olfaktör epitel haraplanmasında bile kokular alınabilir.
Koku Bilgisi Olfaktör Bulbusta Şifrelenir
Burundan gelen duysal bilgi, beyinde, burun boşluğunun üzerinde ve gerisinde iki yanlı yerleşmiş olfaktör bulbuslara iletilir. Burada, duysal aksonlar, glomerüller ile sinaps yapar. Farede, her bulbusta yaklaşık 2000 glomerül vardır (Şekil 32-7). Akson, glomerülde üç tür nöron ile sinaps yapar: Olfaktör kortekse uzanan mitral ve saçaklı nöronlar ve glomerülü çevreleyen periglomerüler ara nöronlar
Her nörona ait tek akson, tek bir glomerülle sinaps yapar. Bunun gibi, her mitral ve saçaklı nöronun primer dendriti de tek bir glomerüle sınırlıdır. Her glomerüldeki 20-50 istasyon nöronuna ait dendritlerde bir kaç bin duysal akson konverjans yapar. Böylece, ölfaktör duysal sinyal ileten nöron sayısı yaklaşık 100 kat azalmış olur.
Bu bilgi bulbusta nasıl düzenlenir? Bu sorunun yanıtı, olfaktör duysal nöronların sağkalımının bulbusun bütünlüğüne bağlı olduğu gerçeğinden yararlanarak yürütülen deneylerden gelmiştir. Bulbustaki görece küçük lezyonlar epiteldeki yaygın yerleşimli bir çok duysal nöronun ölmesine yol açar. Bu konverjansı destekleyen diğer kanıt da, tek bir mitral nöronun, epiteldeki farklı bölgelere uygulanan koku etkeni ile uyarılabildiğinin gösterilmesi ile elde edilmiştir. Olfaktör bulbusta anatomik özelliği olan sinaptik bölgelerin (glomerüllerin) varlığı daha önceki araştırmacılara glomerüllerin işlevsel birim gibi çalıştığı ve farklı koku etkenlerinin farklı glomerüllere haritalandığı kanısına yöneltmiştir. Bu varsayımı destekleyen kanıtlar, hayvanı farklı kokular ile karşılaştırırken, tek bir mitral hücreden kayıt alınan deneylerden sağlanmıştır. Her mitral hücre bir çok koku etkenine yanıt verir, fakat, farklı glomerüllere bağlı mitral hücreler farklı koku molekülleri grubuna yanıt verirler. İşeretleme çalışmaları da her koku etkeninin tipik olarak bir çok glomerülü uyardığını göstermiştir (Şekil 32-8).
Aferent bağlantıların hangi özellikleri bu gözlemleri açıklayabilir? Bulbustaki sinaps örüntülerinin incelenmesi, aynı reseptörlerin eksprese olduğu nöronlara ait aksonların hepsinin de az sayıdaki glomerülde konverjans yaptığını göstermiştir (Şekil 32-8). Her glomerül tek bir tip reseptörden girdi alıyor gibi görünmektedir. Hayrettir ki, özgül bir tip reseptörden girdi alan glomerüller, farklı hayvanların bulbuslarında aynı bölgesel yerleşimi göstermektedir. Böylece, olfaktör bulbusa girdi düzeyinde, duysal bilgi stereotipik bir yersel topografi sergilemektedir; farklı koku reseptörlerinin eksprese olduğu nöronlar farklı glomerüllere projekte olmaktadır.
Bu düzenlenme, bir çok glomerülü uyarabilen bir koku etkeninin bir çok farklı reseptör tarafından tanınabildiğini düşündürür. Bu, aynı zamanda, aynı glomerülü uyaran farklı koku etkenlerinin aynı reseptör tarafından tanınabildiğini gösterir. Böylece, bir koku etkeninin kimliği, o molekülün farklı yapısal özelliklerini tanıyan reseptörlerin bileşimi tarafından kodlanır.
Koku Bilgisi Olfaktör Bulbustan Neokortekse Doğrudan ve Talamus Aracılığı ile İletilir
Mitral ve saçaklı hücre aksonları, lateral olfaktör yolak ile olfaktör kortekse iletilir (Şekil 32-9). Koku korteksi beş temel alana bölünmüştür: 1) Ön olfaktör çekirdek ki anteriyor komisürün bir bölümü olarak iki olfaktör bulubusu birbirine bağlar, 2) piriform korteks, 3) amigdala bölümleri, 4) olfaktör tüberkül, 5) entorinal korteksin bir bölümü
Son dördünden, bilgi, talamus aracılığı ile orbitofrontal kortekse iletilir; ancak, orbitofrontal korteks, frontal korteksle de doğrudan ilişkiler kurar (Şekil 32-9). Ayrıca, koku bilgisi, amigdaladan hipotalamusa ve entorinal alandan hipokampusa iletilir.
Talamustan geçerek orbitofrontal kortekse uzanan aferent yolakların koku algısı ve ayırımından sorumlu olduğu düşünülür, çünkü orbitofrontal korteks hasarlı kişiler kokuları ayıramazlar. Tersine, amigdala ve hipotalamusa yönelen yolaklar, koku almanın, bir çok davranışsal ve fizyolojik yönleri ile olduğu kadar, duygusal ve dürtüsel yönleri ile de ilgilidir.
Feromonlar Türe Özgü Kimyasal Habercilerdir
Bazı türler, kendi türlerinden diğer bireylerin davranış ve fizyolojisini etkilemek üzere çevrelerine kimyasal maddeler (feromonlar) salarlar. Bu etkenler, bir çok hayvanın cinsel ve toplumsal davranışı ile üreme fizyolojisi üzerinde çok önemli rol oynar. Fare, sıçan, sığır ve domuz gibi türlerde, östrus siklusunu başlatabilir, püberte yaşını belirleyebilir, döllenmiş embriyoların emplantasyonuna engel olabilir ve dişilerin çiftleşmeye hazır olduğu mesajını iletebilir. Feromonların kaynağı, idrar veya bezsel dış salgılardır. Bunlardan çok azı kimyasal olarak tanımlanabilmiştir.
Vemoronazal Organ Feromon Bilgisini İletir
Feromon algısında iki temel olfaktör sistem aracılık eder: Birincisi, görmüş olduğumuz temel koku sistemi, diğeri de yardımcı (aksesuvar koku sistemi veya vemoronazal sistem). Vemoronazal sistem, nazal septum tabanındaki, iki yanlı yerleşmiş, birer çift vemoronazal sinir ve aksesuvar olfaktör bulubuslardan oluşur.
Bu organ sıvı ile dolu tübüler yapıdadır, ön ucundaki kanal ile burun boşluğuna açılır. Kısmen, olfaktör epitel benzeri bir kat ile örtülüdür. Müküste çözünen moleküller, yerel kan hacmi değişiklikleri ve lümen çapı değişiklikleri ile buraya pompalanır. Bu organdaki nöronların aksonları, vemoronazal siniri oluşturur ve başlıbaşına anatomik bir yapı olan yardımcı bulbusa uzanır.
Bu bulbus, diğer temel bulbustan projeksiyon örüntüleri bağlamında farklıdır (Şekil 32-9). Yardımcı bulbustaki mitral hücre aksonlarının hepsi de hipotalamusa projekte olan amigdalaya uzanır. Bu yolağın anatomik düzenlenmesi, yalnız üreme ilişkili durumlara aracılık atmek, ancak sürekli ve bilinçli koku algısında rol oynanamak üzere tasarımlandığını gösterir. Vemoronazal sinirleri kesilmiş erkek hamsterler, çok şiddetli çiftleşme disfonksiyonu yaşarlar.
İnsanların beden kokuları ile iletiştiği de önemle tartışılmaktadır. Ayrıca, insanda, vemoronazal sistemin varlığı da tartışma konusudur, ancak, yakın zamandaki araştırmalar bulunmadığını göstermiştir.
Vemoronazal Organdaki Sinyal Transdüksiyonu Burundakindan Farklıdır
Vemoronazal organdaki duysal nöronlar, nazal olfaktör epiteldekine benzese de, transdüksiyon için farklı moleküller kullanırlar. Örneğin, bunlar Gαolf, tip III adenilet siklaz ve olfaktör siklik nükleotid kapılı katyon kanalı alt birimi içermezler.
Ayrıca, çok nadiren bir nöron klasik koku reseptörü içerir. Vemoronazal nöronlar, yaklaşık 100 tür reseptörü içeren iki tamamen farklı reseptör ailesini kullanırlar.
Feromon reseptörleri dizinleri yönünden çok ayrılsa da, yedi tarnsmembran bölge içerirler (G proteinle eşleşecek biçimde). Çok çeşitlidirler ve farklı ligandlara özgüldürler, her nöronda tek bir reseptör tipi vardır ve bu farklı nöronlar, vemoronazal epitelde karışık düzende dağılmıştır (Şekil 32-10).
İki farklı reseptör ailesi, epitelde, iki farklı topografik yerleşim gösterir; iki paralel katman halinde boylu boyunca uzanır. İki katmandaki reseptörlerin farklı G protein alt birimleri eksprese ettikleri dikkat çekicidir; yani farklı G proteinlerle eşleşirler. Yanılanmayı bekleyen önemli sorular: Vemoronazal reseptörler hangi ligandları tanırlar? İki farklı reseptör ailesinin sağladığı bilgi, farklı davranışsal ve fizyolojik feromon etkilerine aracılık etmek üzere amigdala ve hipotalamusun da farklı bölgelerine mi ulaştırılır?
Belirgin bir anomali sergilemeksizin, koku duyarlılığı, kişiden kişiye bin kata kadar değişebilen farklılık gösterir. En çok görülen anomali, belirli bir kokuya karşı duyarsızlıkla giden ve insanlarda, %1-20 sıklıkta görülebilen özgül anozmidir. Örmeğin, insanların %12si miski alamaz. Doğal olarak bu özgül koku reseptörlerinin bulunmaması ile açıklanır.
Daha ender anomaliler olan genel anozmi ve hipozmi,solunum yolu enfeksiyonları nedeniyle oluşur ve sıklıkla geçicidir. Kronik anozmi veya hipozmi, olfaktör epiteli etkileyen enfeksiyonlar, olfaktör sinir harabiyetine ve skar doku oluşmasına yol açan kafa travmaları veya Parkinson hastalığı gibi özgül durumlarda ortaya çıkabilir. Kakozmi denen hoş olmayan koku halusinasyonları da epileptik nöbetler sonucu gelişebilir.
Omurgasızlar ve Omurgalılar Kimyasal Duyu Bilgisini İşlemek için Farklı Stratejiler Kullanır
Bazı özelliklerin evrimde korunduğu gözlenmiştir, örneğin, özelleşmiş sil veya mikrovilusları dış ortama açılan kimyasal duyu hücrelerinin kullanılması gibi
Birkaç omurgasız türünde yürütülen araştırmalar, bunlarda da omurgalılarda olduğu gibi G proteinle eşleşen reseptörlerin varlığını ortaya koymuştur. Ancak, daha yeni araştırmalar, nematod solucan Caenorhabtidis elegans'ın karmaşık koku evrenini, omurgalılardakinden farklı stratejilerle çözümlediğini göstermiştir.
Bu solucanın sinir sistemi, her biri farklı konumlanmış ve yalnızca 302 adet nörondan oluşur. Bunlardan 32si kimyasal duyu nöronlarıdır ve dış ortamla temas ederler. Bu canlı, birçok uçucu ve uçucu olmayan kimyasalı ayırabilir. Lazer ışını ile seçici olarak haraplanan nöronlerın devre dışı kalması ile bu nöronların özgül işlevleri tanımlanabilmektedir. Farklı nöronlar farklı kimyasallara yanıt verir; ancak, her bir nöron bir kaç tür etkeni tanıyabilir. Farklı nöronların aracı olduğu bu işleyiş ile solucan bazılarına yaklaşır, bazılarından kaçar.
Moleküler genetik çalışmalar, bu ayırım mekanizmalarını açıklama yolundadır. Uçucu kimyasal diyasetile duyarlı reseptör, bunu algılayamayan solucanlarda mutasyona uğramış olan genlerin kopyalanması ile tanımlanmıştır (Şekil 32-11). Hernekadar bu reseptör, omurgalı koku reseptörü ile ilgili değilse de, yapısı, transdüksiyonu bir G protein aracılığı ile gerçekleştirdiğini düşündürmektedir. Bu solucandaki tek bir nöronda farklı reseptörler bulunabilmektedir. Bu özellik, omurgalı olfaktör sistemi ile çarpıcı zıtlık gösterir.
İşlevsel çalışmalar, tek bir kimyasal duyu nöronu bulunan solucanların bazı kimyasalları ayırdedebildiğini göstermiştir. Aynı nörondaki farklı reseptörler ve bunların tetiklediği farklı sinyal silsileleri, koku evrenindeki zenginlik ve ayırdetme donanımını açıklar.
Tad Uyaranları Ağızdaki Tad Hücreleri ile Saptanır
Tadı alınabilen moleküller, dil, damak, farenks, epiglot ve özefagusun üst üçte birinde tanınır. Dildekiler, en çok, epitele döşenmiş papillalarda bulunur.
İnsanda, dilin farklı bölgelerinde üç morfolojik tip papilla bulunur (Şekil 32-12). Vida biçimli birkaç yüz fungiform papilla daha çok dilin üçte iki ön bölgesindedir. Arka üçte birde, çukur bir çemberle çevrili, büyük sirkumvalat papillalar yer alır. Dilin arka bölge kenarlarında bulunan folyat papillalar yaprağa benzer ve çukur bir çemberle çevrilmiştir. Her bir fungiform papilla 1-5, diğerleri ise yüzlerce tad tomurcuğu içerir.
Her tad tomurcuğunda, birbirinden farklı dört tip hücre vardır: Bazal, açık renk, koyu renk ve ara hücreler (Şekil 32-13). Tabandaki bazal olanlar kök hücredir. Tad hücreleri çok kısa ömürlüdür ve sürekli yenilenir. Farklı hücreler, farklı farklılaşma evrelerini temsil eder; açık renk olanlar olgun hücrelerdir. Ancak, bunlar farklı hücre boylerını da temsil ediyor olabilirler. Hepsi de uzun, oval, bipolar ve mikrovillusları (dendritleri) tad gözeneğine açılan hücrelerdir. Mikrovilluslar ağız boşluğu ile temasta olan tek reseptör bölümleridir.
Hücreler bazal kutuplarında primer tad aferentleri ile inerve olurlar. Tad hücreleri epitel olmalarına karşın aferentler ile kimyasal sinaps yapabilecek donanımdadır. Ayrıca, voltaja bağımlı sodyum, potasyum ve kalsiyum kanalları sayesinde, uyarılabilir ve aksiyon potansiyeli oluşturabilir özelliktedirler.
Dört Farklı Tad Modalitesinin Algılanmasına Çeşitli Mekanizmalar Aracılık Eder.
Tad sistemi, dört temel uyaranı ayırd eder: Acı, tuzlu, ekşi ve tatlı. Bazılarına göre, umami adı verilen monosodyum glutamat beşinci tadı temsil eder. Bu tadların her birinin transdüksiyonlarının farklı moleküler mekanizmaları elektrofizyolojik, biyokimyasal ve moleküler biyolojik yaklaşımlarla araştırılmıştır (Şekil 32-14). Ayrıca, iki uyaran, farklı mekanizmalarla aynı tad duyumunu hissettirebilir. Dahası, aynı tad etkeninin tadını almak için kullanılan mekanizmalar, omurgalılarda, türden türe farklılık gösterebilir.
Genelde, tad etkeni, apikal membrandaki iyon kanalları veya özgül reseptörlerlerle etkileşir. Jeneratör potansiyeller, tad hücresinde aksiyon potansiyeli oluşturur, voltaja bağımlı kanallardan hücre içine kalsiyum girer ve nörotransmiter salımı ile sinaps gerçekleşir. Alternatif olarak, sitozolik kalsiyum da serbestlenebilir.
İki ayrı mekanizma aracılık edebilir (Şekil 32-14). 1) Kemirgenlerde, G protein ile eşleşen reseptörün uyarılması ile cAMP düzeyleri yükselir, kinaz aktive olur, potasyum kanallarını fosforiller ve inaktive (bloke) eder, depolarizasyon oluşur.
2) Bazı yapay tadlandırıcılar, inozitol trifosfat artışını uyarır, hücre içi depolardan kalsiyum salımını tetikler.
3) G protein gustdusini bulunmayan mutant farede tatlıya yanıtlar normal değildir. Bu protein, görsel sistemdeki siklik nükleotid yıkıcı transdüsine benzer. Tatlı tadın transdüksiyonunda, cAMP oluşum ve yıkılımı ile inozitol trifosfat dönüşümünün katkısı henüz tam olarak açıklanamamıştır.
Acı tad genellikle toksik bileşiklerle ilişkilidir ve koruyucu olarak evrimleştiği düşünülür. Bu tadı veren etkenler, divalan katyonlar, bazı amino asidler, alkaloyidler ve bilinen en acı bileşik denatonyumdur ve moleküler heterojenite gösterirler. Kinin, membrandan geçebilir; detonyum geçemez. Yani acılar için de bir kaç mekanizma vardır.
Denatonyum, bir G proteinle eşleşen reseptörü uyarınca inozitol trifosfat aktive olur ve hücre içi kalsiyum serbestleşir (Şekil 32-15). Bu, hücre içi kalsiyum görüntüleme ile ortaya konmuştur.
Bazı acı reseptörleri de tatlı reseptörleri gibi gustdusin ile eşleşir. Bu protein fosfodiyesterazı uyarır, hücre içi cAMP ve cGMP düzeyleri düşer. Gustdusin geni dışlanmış farelerde acı algısı da bozulmaktadır.
Kinin benzeri bileşikler apikal yerleşimli potasyum kanallarını bloke eder. Bu kanalları bloke eden bir çok madde acıdır.
Tuzlu uyaranlar, örneğin NaCl, en azından kısmen, apikal amilorid-duyarlı sodyum kanallarından elektrokimyasal gradyan yönünde difüze olur, depolarizasyona yol açar. Bunun kanıtı, amiloridin tuz tadını almayı, korda timpani yanıtını engellemesidir. Potasyum tuzlarının transdüksiyonu da, apikal kanallardan potasyumun hücre içine girişi ile olur. Farklı sodyum tuzlarının, tad hücrelerindeki sıkı bağlantılardan geçebilme özelliklerindeki farklılık, tad çeşitliliğini açıklar.
Apikal iyon kanallarının protonlar ile blokajı transdüksiyonu sağlar. "Mudpuppy"de (küçük bir amfibi) ekşi etkeninin apikal potasyum kanallarını hidrojen iyonu ile bloke etmesi suretiyle (depolarizasyon oluşması sonucu) algılanır (Şekil 32-14 ve 32-16). Hamsterde, amiloride duyarlı sodyum kanallarından hidrojen içe girişi ile transdüksiyon gerçekleşir. Bu kanalların, salya sodyum yoğunluğu düşük olduğunda, protonlara geçirgen olduğu bilinmektedir. Sodyum yoğunluğu yüksek olduğunda, protonlar, sodyum kanallarını bloke eder ve NaCle yanıtı engeller. İnsanda, asidler tuz tadı yoğunluğunu azaltır.
Monosodyum glutamat, beyinde de dulunduğu söylenen özgül bir metabotrop reseptörü uyarır.
Özetle, tad hücreleri, iki genel kategoriye ayrılır: Özgül bir membran reseptörü ve ikinci haberci sistemi olanlar ve membranı doğrudan geçen veya iyon kanallarını bloke edenler. Salyadaki (tad etkeni bağlayan) proteinler, molekülleri yoğunlaştırıp, (özellikle suda çözünenleri) membrandan geçirerek veya uzaklaştırarak tad duyusu modülasyonu sağlarlar.
Tad Bilgisi Talamusta Bilgi İşleme Uğrayarak Kortekse Ulaşır
Farklı tad hücrelerinin farklı tad uyaranlarına yanıt verdiğine ilişkin bazı kanıtlar vardır. Ancak, her bir hücrenin yalnızca tek bir tada mı, yoksa tadların bileşimine mi yanıt verdiği bilinmemektedir. Her tad hücresi, tabanında, primer gustator liflerin periferik dalları ile inerve olur (Şekil 32-13C). Her duysal lif bir çok kez dallanır, çok sayıda tad tomurcuğu ve bunlardaki tad hücresini inerve eder. Tad hücrelerinden nörotransmiter salınması ile duysal liflerle sinaps gerçekleşir; burada oluşan aksiyon potansiyelleri beyine doğru iletilir.
Dilin üçte iki ön tarafındaki fungiform papillalar, periferik dalları, VII. kranyal sinir fasyalisin korda timpani dalı içinde seyreden genikülat gangliyon duysal nöronları tarafından inerve edilir (Şekiller 32-12 ve 32-17). Dilin arka üçte bir bölümündeki tad tomurcukları ise, periferik dalları, IX. kranyal sinir glossofarengeusun lingual dalı içinde seyreden petrozal gangliyon duysal nöronları tarafından inerve edilir. Damaktaki tad tomurcukları, fasyalisin büyük yüzeysel petrozal dalı ile, epiglot ve özefagus tad tomurcukları ise, X. kranyal sinirin süreiyor larengeal dalı ile inerve edilir. Bu sinirlerden bazıları, dilde, tomurcukların çevresinden somatoduysal aferentler de içerir.
Bu sinir lifleri, bulbustaki traktus solitaryusa girer (Şekil 32-17) ve soliter çekirdek ön ve dış tarafındaki tad alanında bulunan ince bir sutün halindeki nöronlarla sinaps yapar.
Buradaki nöronların uzantıları ise, talamustaki ventral posterior medial çekirdek bölgesinde bulunan küçük hücrelerde (parvoselüler) sinaps yaparlar. Burada, taddan sorumlu hücreler, dilin diğer modaliteleri ile ilişkili nöronlardan ayrılan bir yerleşim gösterir.
Talamus parvoselüler hücre uzantıları, ipsilateral serebral korteks anteriyor insula ve frontal operkulumuna projekte olur (Şekil 32-17). Bu bölge, dilin somatoduysal (deği, ağrı ve sıcaklık) temsilinin rostralindedir. Bu projeksiyon, tad algısı ve ayırımından sorumlu yapı ve düzenlenme olarak kabul edilir.
Bir dönem, farklı tad modalitelerine özgül duyarlığı olan hücrelerin dilin dört ayrı bölgesinde yoğunluştuğu kabul edilmekteydi. Oysa, bu gün, bu hücrelerin dağınık ve yaygın yerleştiği bilinmektedir. Ancak, topografik yerleşim farklılığı, soliter çekirdek, talamus ve korteks için geçerli bir özelliktir.
Tad sistemi tad uyaranlarını nasıl ayırt edebilmektedir? Hayvanlarda tek tad aferent lifindeki elektrofizyolojik çalışmalar bu konuda bilgi sağlamıştır. Bun lara göre, bir lif, tek bir uyarana en iyi yanıtı oluştururken diğer uyaranlara daha az da olsa farklı derecelerde yanıt verebilmektedir. Örneğin tuzluya şiddetle yanıt veren liflerin ekşi asidlere, ekşiye anlamlı yanıt verenlerin de acılara da yanıt vermesi gibi (Şekil 32-18).
Bu deneyler, her lifin, belirli bir yanıt özgüllüğü bulunan tad hücre popülasyonundan sinyal aldığını düşündürmektedir. Aynı bulgular, ayrıca, farklı tadların tüm lif popülasyonundaki farklı örüntüler ile veya farklı, ancak, örtüşen lif grupları ile kodlandığını da düşündürmektedir. Bu yönü ile tad kodlaması, görsel ve işitsel kodlamaya benzemektedir.
Yiyeceklerin lezzeti, büyük ölçüde, olfaktör sistemin sağladığı bilgilerle oluşur. Yiyecek ve içeceklerin salınan uçucu moleküller, çiğneme ve yutma sırasında, dil, yanaklar ve boğaz tarafından burun boşluğunun gerisine pompalanır. Olfaktör epitelyum, tad duyumuna çok belirgin bir katkıda bulunmasına karşın, biz, tadı, burnumuzda değil, ağzımızda duyarız. Bu lokalizasyonda somatoduysal sistem de rol alır ve dilin somatoduysal uyarımı ile koku etkenlerinin retronazal pasaja geçişinin eşzamanlı olması, bu moleküllerin "sanki ağızdaki lezzet gibi" algılanmasına neden olduğunu düşündürür.
Tad duyumlarının sıklıkla somaduysal bileşenleri de vardır. Yiyeceklerin kıvamı, sıcaklığı, baharat ve mentol içeriği ile karbonasyon özelliği bu bileşenler arasındadır