The Ear Makes Its Own Sound: The Organ That Talks Back

Bölüm metni

Put a sensitive enough microphone in your ear canal and you'll pick up a sound that came from inside your own ear, not from outside. The ear doesn't just listen. It talks back. The idea was laughed off in nineteen forty-eight, and today it's how hearing is tested in babies only a day old.

Sessiz bir odada çok hassas bir mikrofonu kulak kanalınıza yerleştirseler, büyük ihtimalle bir ses kaydederlerdi. Bu ses dışarıdan gelmiyor, kulağınızın kendisinden geliyor. Duymak için yapılmış organımız, kimsenin fark etmediği biçimde sürekli şarkı söylüyor.

1948 yılında, İkinci Dünya Savaşı'nın radar laboratuvarlarından yeni çıkmış genç bir fizikçi, işitme uzmanlarının pek hoşuna gitmeyecek bir soru sordu. Thomas Gold'un sorusu basitti: Kulak sesi yalnızca alan bir mikrofon mu, yoksa gelen sesi kendi enerjisiyle güçlendiren bir amplifikatör mü?

Bu sorunun neden rahatsız edici olduğunu anlamak için kulağın içine bakmak gerekir. Dış kulak sesi toplar, kulak zarı titrer, orta kulaktaki üç minik kemik bu titreşimi iç kulağa taşır. İç kulakta, salyangoz kabuğu gibi kıvrılmış, sıvıyla dolu bir yapı vardır: koklea. Koklea boyunca uzanan bir zar, baziler membran, gelen sesle dalgalanır. Zarın her noktası farklı bir frekansa en güçlü tepkiyi verir. Tabana yakın kısım tiz seslere, tepeye yakın kısım pes seslere ayarlıdır. Yani koklea, sesi frekanslarına ayıran canlı bir piyano klavyesi gibi çalışır.

Gold'un zamanında bu klavyenin en ayrıntılı haritası Georg von Békésy'nin ölçümlerinden geliyordu. Békésy, insan kadavralarından aldığı kokleaları mikroskop altında inceliyor, zarın üzerinde ilerleyen dalgayı gözüyle izliyordu. Gördüğü şey bir yürüyen dalgaydı: ses tabandan girip zar boyunca ilerliyor, belli bir noktada tepe yapıp sönüyordu. Bu çalışma ona sonradan, 1961'de Nobel Tıp Ödülü'nü getirecekti. Ama Békésy'nin gördüğü tepeler genişti, yayvandı. Böyle yayvan bir titreşim, birbirine çok yakın iki notayı ayırt etmeye yetmezdi.

Oysa insan kulağı bunu yapabiliyor. Eğitimli bir dinleyici, frekansları binde birkaç oranında farklı iki sesi birbirinden ayırabiliyor. Üstelik kulağın duyabildiği en sessiz sesle acı veren en gürültülü ses arasında milyonlarca kat güç farkı var. Gold, radar alıcılarıyla çalışmış biri olarak bu tabloya baktı ve bir mühendis gibi düşündü: sıvı içinde titreşen bir zar, sürtünme yüzünden enerjisini hızla kaybeder. Bu kadar keskin bir ayarı yalnızca pasif bir sistemle elde edemezsiniz. Bir yerlerde, sürtünmeyi telafi eden, titreşime enerji pompalayan bir şey olmalı.

Gold bu fikri meslektaşı R. J. Pumphrey ile birlikte yayımladı. Önerisi, kulağın içinde bir geri besleme mekanizması bulunduğuydu; tıpkı eski radyo alıcılarında sinyali güçlendirmek için kullanılan devreler gibi. Ve bu fikirden cesur bir öngörü çıkardı. Eğer kulak gerçekten bir amplifikatörse, her amplifikatör gibi bazen kontrolden çıkabilirdi. Mikrofonu hoparlöre fazla yaklaştırdığınızda duyduğunuz o tiz uğultu gibi, kulak da kendi kendine ses üretmeye başlayabilirdi. Yani kulak, en azından bazen, konuşuyor olmalıydı.

Gold bu sesi yakalamaya çalıştı. Ama 1940'ların mikrofonları, kulak kanalının içindeki bu kadar zayıf bir sesi ortam gürültüsünden ayıracak hassasiyete sahip değildi. Ölçüm başarısız oldu. İşitme bilimi camiası da fikre soğuk baktı. Bir yanda kadavra kokleası üzerinde titizlikle yapılmış ölçümler duruyordu, öbür yanda işitme alanına dışarıdan gelmiş bir fizikçinin kanıtsız bir mühendislik sezgisi. Gold sonraki yıllarda astrofiziğe yöneldi ve kulakla ilgili düşüncesi otuz yıl boyunca neredeyse hiç anılmadı.

Geriye bakınca Békésy'nin ölçümlerinde gözden kaçan bir ayrıntı vardı. İncelediği koklealar ölüydü ve zarın hareketini görebilmek için onları çok yüksek seslerle uyarmak zorundaydı. Gold'un aradığı amplifikatör eğer varsa, tam da bu iki koşulda ortadan kaybolacak türden bir şeydi. Kanıt, ancak canlı bir kulağı fısıltı düzeyindeki seslerle dinleyebilen biri çıkınca gelecekti.

1970'lerde ilk çatlaklar belirmeye başladı. 1971'de William Rhode, canlı sincap maymunlarının kokleasında zarın hareketini çok hassas bir yöntemle ölçtü ve tuhaf bir şey gördü: zarın tepkisi ses şiddetiyle orantılı artmıyordu. Sessiz seslerde orantısız biçimde büyük, yüksek seslerde ise görece küçük bir yanıt veriyordu. Pasif bir zar böyle davranmaz. Hayvan ölünce de bu tuhaflık kayboluyordu. Yine de bu bulgular dolaylıydı. Asıl darbe, bir insanın kulak kanalına yerleştirilen küçük bir mikrofondan gelecekti.

Londra'da işitme araştırmaları yapan İngiliz bilim insanı David Kemp, 1978'de basit görünen bir deney yaptı. Gönüllülerin kulak kanalına hem minik bir hoparlör hem de son derece hassas bir mikrofon içeren bir prob yerleştirdi. Hoparlörden kısa bir tık sesi gönderdi ve ardından mikrofonun ne kaydettiğine baktı. Beklenen şey belliydi: tık sesi kulak zarına çarpar, bir kısmı hemen geri yansır, sonra sessizlik olur.

Ama sessizlik olmadı. Tık sesinden birkaç milisaniye sonra, kulak kanalından zayıf ama belirgin ikinci bir ses geldi. Bu ses kulak zarından gelen basit bir yansıma olamazdı, çünkü yansıma anında olurdu. Bu gecikme, sesin kulak zarından geçip orta kulağı aşması, kokleaya girip zar boyunca yol alması ve sonra aynı yoldan geri dönmesi için gereken süreyle uyumluydu. Daha da ilginci, gelen yankının içindeki tiz bileşenler daha erken, pes bileşenler daha geç dönüyordu. Tıpkı kokleanın haritasına göre olması gerektiği gibi: tiz sesler tabana yakın yerde, kısa yoldan; pes sesler tepeye doğru, uzun yoldan.

Kemp'in yakaladığı şey, iç kulaktan dışarı çıkan bir sesti. Kendisinin uyarılmış akustik emisyon dediği bu sinyal, kısa sürede onun adıyla, Kemp yankısı olarak da anılmaya başlandı. İlk tepkiler temkinliydi. Bu bir ölçüm hatası mıydı, probun kendi titreşimi miydi? Ama sonuçlar tekrar edildi. Yankı canlı ve sağlıklı kulaklarda vardı, iç kulak hasarı olan kişilerde ise zayıflıyor ya da tamamen kayboluyordu. Kısa süre içinde Kemp ve başka araştırmacılar daha da çarpıcı bir şey buldu: bazı insanların kulakları hiçbir uyarı yokken, sessiz bir odada, sürekli ve saf bir ton yayıyordu. Gold'un otuz yıl önce öngördüğü ıslık buydu. Bunlara kendiliğinden akustik emisyon dendi.

Bu kendiliğinden sesler normal işiten insanların önemli bir kısmında, çalışmalara göre yarısı civarında ya da daha fazlasında bulunuyor ve kadınlarda erkeklere göre daha sık görülüyor. Sesler çok zayıf, kulak kanalının dışından kimse duyamaz. Sahibi de genellikle duymaz; beyin bu sürekli tonu arka plan olarak kabul eder. Burada bir yanlış anlamayı da düzeltmek gerekiyor: kulak çınlaması yaşayan pek çok insan, duydukları sesin kulaktan yayılan bu emisyon olduğunu düşünebilir. Araştırmalar bunun yalnızca küçük bir azınlık için geçerli olduğunu gösteriyor. Kulak çınlamalarının büyük çoğunluğu kulaktan dışarı çıkan gerçek bir ses değil, işitme yollarındaki sinirsel etkinliğin ürünü.

Peki kulağın içinde bu sesi üreten nedir? Cevap, kokleanın duyu hücrelerinde saklı. Baziler membranın üzerinde tüy hücreleri sıralanır. Adlarını tepelerinden çıkan ince, saç teli gibi uzantı demetlerinden alırlar. Her insan kokleasında yaklaşık 3500 iç tüy hücresi tek bir sıra halinde, yaklaşık 12 bin dış tüy hücresi ise üç sıra halinde dizilmiştir. İşin garip yanı şu: beyne işitme bilgisini taşıyan sinir liflerinin büyük çoğunluğu, yaklaşık yüzde 95'i, iç tüy hücrelerine bağlıdır. Sayıca çok daha kalabalık olan dış tüy hücreleri ise beyne neredeyse hiç bilgi göndermez. Uzun süre bu hücrelerin ne işe yaradığı bir bilmeceydi. Sayıları fazla, katkıları azdı.

1985'te William Brownell ve ekibi bu bilmeceyi çözen gözlemi yaptı. Kobay kulaklarından çıkardıkları tek tek dış tüy hücrelerini elektrikle uyardılar ve mikroskop altında hücrelerin boylarının değiştiğini gördüler. Hücre zarının içi elektriksel olarak daha pozitif hale gelince hücre kısalıyor, daha negatif hale gelince uzuyordu. Bu bir kas kasılması değildi. Kaslar kimyasal enerjiyle, görece yavaş çalışır. Dış tüy hücreleri ise ses frekanslarına yetişecek hızda, saniyede binlerce, hatta on binlerce kez uzayıp kısalabiliyordu. Bu olaya elektromotilite, yani elektrikle hareket adı verildi.

Artık mekanizma bir araya gelmeye başlamıştı. Ses gelince baziler membran titrer. Bu titreşim dış tüy hücrelerinin tepesindeki demetleri büker, hücrenin içine iyonlar akar ve hücrenin elektriksel gerilimi değişir. Gerilim değişince hücre boy değiştirir ve zara, tam doğru anda, bir itme ya da çekme uygular. Salıncaktaki bir çocuğu doğru zamanda iten biri gibi, dış tüy hücreleri titreşimi sürtünmeye karşı besler. Böylece zarın belli bir noktadaki hareketi yüzlerce kat büyür ve tepe incelir, keskinleşir. Güçlenmiş bu titreşim, asıl dinleyici olan iç tüy hücrelerine ulaşır, onlar da bilgiyi beyne iletir. İşitme fizyoloğu Hallowell Davis bu sisteme koklear amplifikatör adını verdi.

Kemp'in yankısı da bu sistemin bir yan ürünüydü. Amplifikatör mükemmel bir düzende çalışmaz. Kokleadaki küçük düzensizlikler, güçlenmiş dalganın bir kısmını geri yansıtır ve bu enerji orta kulak üzerinden kulak zarını titreterek dışarı kaçar. Kendiliğinden emisyonlar ise bazı noktalarda bu geri beslemenin kendi kendini sürdürecek kadar güçlenmesiyle ortaya çıkıyor gibi görünüyor. Gold'un mühendis sezgisi doğru çıkmıştı. Ama bir soru hâlâ cevapsızdı: dış tüy hücrelerini bu kadar hızlı hareket ettiren motor neydi?

Cevap yeni bin yılın eşiğinde geldi. Northwestern Üniversitesi'nde Peter Dallos'un laboratuvarında Jing Zheng ve arkadaşları, dış tüy hücrelerinde bol bulunan ama iç tüy hücrelerinde bulunmayan genleri aradılar. 2000 yılında, aradıkları motoru taşıyan proteini buldular. Hücre zarına gömülü bu protein, zarın elektriksel gerilimi değiştiğinde şeklini değiştiriyordu. Binlercesi yan yana dizildiğinde, hepsinin birlikte büzülüp gevşemesi bütün hücrenin boyunu değiştiriyordu. Araştırmacılar ona müzikte çok hızlı çalınacak pasajlar için kullanılan presto teriminden esinlenerek prestin adını verdiler.

Prestin, biyolojideki motor proteinlerin çoğundan farklı çalışır. Kaslardaki ya da hücre içindeki taşıyıcı motorlar her adımda kimyasal bir yakıtı, ATP denen molekülü yakar. Prestin ise doğrudan elektrik alanına tepki verir; zarın gerilimi değişir değişmez şekil değiştirir. Arada kimyasal bir aracı olmadığı için hızlıdır. Kulağın ihtiyaç duyduğu da buydu: on binlerce hertzlik titreşimlere ayak uyduracak bir motor.

Son kanıt iki yıl sonra geldi. 2002'de Charles Liberman, Jing Zheng, Peter Dallos ve meslektaşları prestin geni devre dışı bırakılmış fareler yetiştirdi. Bu farelerin dış tüy hücreleri yerinde duruyordu ama artık boy değiştiremiyordu. Sonuç çarpıcıydı: farelerin işitme hassasiyeti 40 ile 60 desibel arasında düştü. Kulakları akustik emisyon üretmiyordu ve frekans ayrımları bulanıklaşmıştı. Başka bir deyişle, prestini ortadan kaldırdığınızda kulak, Békésy'nin kadavra kokleasında gördüğü o pasif ve yayvan yapıya geri dönüyordu. Gold'un amplifikatörünün motoru bulunmuştu.

Burada dürüst olmak gerekiyor: hikâye tamamen kapanmış değil. Kurbağalar, kertenkeleler ve kuşlar da akustik emisyon üretir ama onların tüy hücrelerinde prestin bu şekilde çalışmaz. Bu hayvanlarda güçlendirme işini tüy demetlerinin kendisinin aktif hareketi üstleniyor gibi görünüyor. Memelilerde de bu ikinci mekanizmanın prestine ne kadar katkı yaptığı hâlâ tartışılıyor. Ama bugünkü bilimsel uzlaşıda memeli kulağının duyarlılığını ve keskinliğini ağırlıklı olarak prestinin taşıdığı görüşü güçlü biçimde destekleniyor.

Asıl zafer ise laboratuvarın dışında yaşandı. Kemp yankısının en değerli özelliği, iç kulağın sağlığına dair dışarıdan, ağrısız ve hızlı bir işaret vermesiydi. Dış tüy hücreleri sağlam ve çalışıyorsa kulak yankı verir. Hasarlıysa yankı zayıflar ya da kaybolur. Üstelik bu ölçüm için kişinin hiçbir şey yapması gerekmez; düğmeye basması, “duydum” demesi, hatta uyanık olması bile şart değildir.

Bu özellik, işitme biliminin en zor sorunlarından birine çözüm oldu: yeni doğmuş bir bebeğin duyup duymadığını nasıl anlarsınız? Doğuştan kalıcı işitme kaybı, her 1000 bebekten yaklaşık 1 ila 3'ünde görülür. Uzun yıllar bu çocukların çoğu, konuşma gecikince ancak iki üç yaşlarında fark ediliyordu. Oysa dil gelişimi için en kritik dönem tam da ilk aylar ve yıllardır. Erken fark edilen bir işitme kaybı işitme cihazıyla ya da gerekirse koklear implantla desteklendiğinde, çocuğun dil gelişimi büyük ölçüde korunabiliyor.

Bugün pek çok ülkede, Türkiye'de de 2000'lerin ortasından beri yürütülen ulusal yenidoğan işitme taramasıyla, bebekler doğumdan kısa süre sonra bu testten geçiriliyor. Uyuyan bebeğin kulağına yumuşak uçlu küçük bir prob yerleştiriliyor. Cihaz bir dizi tık sesi ya da iki ayrı ton gönderiyor ve kulağın cevabını dinliyor. Birkaç dakika içinde ekranda sonuç beliriyor. Kulak konuşuyorsa, iç kulağın amplifikatörü büyük olasılıkla çalışıyor demektir.

Testin sınırlarını da bilmek gerekiyor. Akustik emisyon dış tüy hücrelerinin sağlığını gösterir ama iç tüy hücrelerinin ya da işitme sinirinin sağlıklı olduğunu garanti etmez. Bazı bebeklerde kulak yankı verirken sinyal beyne düzgün ulaşmayabilir. Bu yüzden yoğun bakımda kalmış bebekler gibi risk altındaki gruplarda, beyin sapının sese verdiği elektriksel tepkiyi ölçen ek testler de kullanılıyor. Doğum sonrası kulak kanalındaki sıvı da ilk ölçümü yanıltabildiği için, testten geçemeyen bebeklerin çoğu kısa bir süre sonraki tekrar testinde sorunsuz çıkıyor. Tarama bir tanı değil, dikkat edilmesi gereken bebekleri ayıklayan bir eleğe benziyor.

Akustik emisyonların kullanımı bebeklerle de sınırlı değil. Yüksek gürültüde çalışan insanlarda dış tüy hücreleri işitme testlerinde kayıp ortaya çıkmadan önce zarar görmeye başlayabiliyor ve bu erken hasar emisyonların zayıflamasıyla fark edilebiliyor. Bazı ilaçların iç kulağa zarar verme riski olduğunda, tedavi süresince emisyonların izlenmesi hasarı erken yakalamaya yardım ediyor. Prestinin keşfi ise yeni bir araştırma alanının kapısını açtı: kaybedilmiş dış tüy hücrelerini yeniden oluşturmak ya da onların motorunu korumak. Bu çalışmalar umut verici ama henüz büyük ölçüde laboratuvar aşamasında; insanlarda işitme kaybını tersine çeviren bir tedaviye dönüşüp dönüşmeyeceği bugün için bilinmiyor.

1948'de bir fizikçi, kulağın yalnızca dinlemediğini, aynı zamanda ses ürettiğini öne sürmüş ve kimseyi ikna edememişti. Otuz yıl sonra hassas bir mikrofon o sesi yakaladı, yedi yıl sonra hücrelerin dans ettiği görüldü, on beş yıl sonra da dansı yöneten protein bulundu. Bugün bir doğumhanede uyuyan bir bebeğin kulağından gelen o belli belirsiz yankı, ailesine çocuklarının dünyayı duyabileceğini söylüyor.

Nöron Science'de bugünkü bölümün sonuna geldik. Yeni bir hikâyede yeniden buluşmak üzere.