Wie sich eine Fliege einen Duft merkt

Die Schülerinnen und Schüler verfolgen einen Duft von den Rezeptoren bis zu den Zellen, die seine Erinnerung lesen, und zeigen: Wer eine Schicht einer Bahn stummschaltet, schneidet alles dahinter ab.

Ein gemeinsamer Bildschirm hilft, ist aber nicht nötig: ein Beamer, ein Fernseher oder ein Computerbildschirm, den die ganze Klasse sieht. Die Schülerinnen und Schüler brauchen ein beliebiges Gerät mit Internetzugang, am besten eines für je zwei: Laptop, Tablet oder Smartphone. Es muss nichts installiert werden, und niemand braucht ein Konto. Jede Lektion beginnt mit einer kurzen Einführung, wie der Bildschirm zu lesen ist, und jeder Fachbegriff lässt sich antippen und wird dann erklärt.

Synapsen und Neurotransmitter

Jede Schicht gibt das Signal über Synapsen an die nächste weiter. Forschende vermuten, dass die Erinnerung selbst eine Veränderung der Stärke der Synapsen von den Kenyon-Zellen zu den Ausgangsneuronen ist.

Wie der Aufbau eines Netzwerks das Verhalten bestimmt

Die Bahn ist eine Kette von Schichten. Deshalb werden die Ausgangsneuronen dunkel, wenn man die Kenyon-Zellen stummschaltet, obwohl der Duft weiterhin hineingelangt.

Erregung und Hemmung

„Stimulieren“ erregt Zellen, „Stummschalten“ hält sie ausgeschaltet: die beiden Werkzeuge der Lektion. In diesem Teil des Schaltkreises erregt jede Schicht die nächste.

1. 5 Min.

   Einstiegsfrage

   Fragen Sie: „Woher weiß euer Gehirn, dass ihr einen Duft schon einmal gerochen habt?“ Sammeln Sie ein paar Vermutungen und kündigen Sie dann an, dass die Klasse heute in einer Fliege nach der Antwort sucht.

2. 10 Min.

   Vorführung mit „Zeig mir, wie es funktioniert“

   Zeigen Sie die Lektion im Klassenmodus auf einem gemeinsamen Bildschirm (Beamer, Fernseher oder Computerbildschirm) und drücken Sie auf „Zeig mir, wie es funktioniert“. Lesen Sie jeden Schritt laut vor, während er abläuft. Ohne gemeinsamen Bildschirm öffnen die Schülerinnen und Schüler dieselbe Vorführung auf ihren eigenen Geräten. Die Vorführung hält bei der Frage der Lektion an: Lassen Sie diese vorerst unbeantwortet.

3. 20 Min.

   Die Klasse erkundet selbst

   Die Schülerinnen und Schüler arbeiten zu zweit an ihren eigenen Geräten, mit dem Arbeitsblatt. Vor jedem Tippen notieren sie eine Vermutung, dann gehen sie die Lektion durch, beantworten deren Frage und probieren das freie Experimentieren aus.

4. 10 Min.

   Besprechung

   Sammeln Sie die Antworten der Zweiergruppen auf die Frage der Lektion und nutzen Sie dann die Diskussionsfragen unten. Sprechen Sie zum Schluss darüber, was das Modell weglässt.

Dror riecht einen reifen Pfirsich, erkennt den Duft wieder, der ihn beim letzten Mal zu Futter geführt hat, und folgt ihm gegen den Wind. Die Geschichte führt zu der Frage: Wo im Gehirn ist diese Erinnerung gespeichert?

Die Lektion beginnt mit einem kurzen Comic über die Fliege Dror. Lesen Sie die Texte vor oder lassen Sie die Schülerinnen und Schüler selbst lesen; das dauert etwa eine Minute. Das letzte Bild erscheint noch einmal auf dem Abschlussbildschirm.

Projizieren Sie die Lektion. Halten Sie auf jeder der vier Ebenen an und stellen Sie die zugehörige Frage, bevor Sie hineinzoomen. Mit den Ebenen-Knöpfen springen Sie zu jeder Ebene, und der Lupen-Knopf öffnet den Zoom an jeder Stelle der Lektion erneut.

1. Fliege

   Wo an diesem Körper würdet ihr nach einer Nase suchen?

2. Gehirn

   Das Gehirn füllt den größten Teil des Kopfes aus. Was braucht darin wohl so viel Platz?

3. Schaltkreis

   Der Duft kommt bei den orangefarbenen Zellen an. Welche Farbe erreicht er wohl zuletzt?

4. Neuron

   Der Punkt ist ein einzelner Impuls. Wie könnte eine einzige Zelle dem Rest des Gehirns von einem Duft berichten?

Körper und Gehirn stammen von zwei verschiedenen Fliegen und werden zusammen in ihrer wahren Größe gezeigt. Sagen Sie das der Klasse.

Vor dem Schritt mit dem Stummschalten wählen die Schülerinnen und Schüler, was ihrer Meinung nach passiert. Lassen Sie zuerst per Handzeichen abstimmen. Nichts wird bewertet, und eine falsche Vermutung kostet nichts.

1. Schritt 1

   Eine Fliege riecht mit ihren Antennen (ihren zwei Fühlern). Tippe auf „Stimulieren“, um einen Duft hineinzuschicken. Sieh zu, wie die orangefarbenen Neuronen aufleuchten.

   Nur die orangefarbenen Duftrezeptoren leuchten auf. Das Signal beginnt an einem Ende des Schaltkreises, nicht überall zugleich.

2. Schritt 2

   Tippe noch einmal auf „Stimulieren“ und folge den Farben. Gelbe Projektionsneuronen (die Duftboten) tragen den Duft nach innen. Blaue Kenyon-Zellen (die Duftsortierer) fangen ihn als Nächstes auf.

   Die Farben leuchten der Reihe nach auf: Orange, dann Gelb, dann Blau. Das Signal wandert Schicht für Schicht weiter.

3. Schritt 3

   Tippe ein weiteres Mal auf „Stimulieren“. Achte jetzt auf die pinkfarbenen Ausgangsneuronen (die Gedächtnisleser). Sie lesen das blaue Muster.

   Die pinkfarbenen Ausgangsneuronen leuchten zuletzt auf, und erst nach den blauen Kenyon-Zellen.

4. Schritt 4

   Schalte jetzt die Kenyon-Zellen (die Duftsortierer) stumm. Wir schicken den Duft für dich hinein. Was verschwindet?

   Orange und Gelb leuchten weiterhin, Blau bleibt dunkel, und Pink verschwindet fast ganz. Der Duft ist hineingekommen, aber nicht weitergekommen.

5. Schritt 5

   Tippe noch einmal auf den Knopf der Kenyon-Zellen (der Duftsortierer), um sie wieder einzuschalten. Wir schicken denselben Duft.

   Pink kommt zurück, sobald die Kenyon-Zellen wieder eingeschaltet sind. Nichts wurde beschädigt: Dem Signal fehlte nur der Weg.

Du hast die Kenyon-Zellen (die blauen Zellen) stummgeschaltet. Warum sind die pinkfarbenen Zellen dunkel geworden?

Die richtige Antwort: Die blauen Zellen geben das Muster jedes Duftes an die pinkfarbenen Zellen weiter.

Die Kenyon-Zellen geben das Muster jedes Duftes an die Ausgangsneuronen weiter. Sind sie stummgeschaltet, erreicht der Duft zwar noch die Rezeptoren und die Projektionsneuronen, aber die Ausgangsneuronen bekommen nichts zu lesen. Wer antwortet „Der Duft ist gar nicht hineingelangt“, sollte sich noch einmal die orangefarbenen und gelben Zellen ansehen.

1. Der Duft ist weiterhin ins Gehirn gelangt, während die Kenyon-Zellen stummgeschaltet waren. Woran erkennen wir das?
2. Angenommen, die Fliege hat gelernt, dass dieser Duft Zucker bedeutet. An welcher Stelle dieses Schaltkreises würdet ihr eine Veränderung erwarten?
3. Was würdet ihr erwarten, wenn ihr stattdessen die gelben Projektionsneuronen stummschaltet? Testet es beim freien Experimentieren.

• Mögliche Schülervorstellung: Eine Erinnerung steckt in einer einzelnen Zelle, wie eine Datei.

  So gehen Sie darauf ein: Gehen Sie zu dem Schritt zurück, in dem Pink das blaue Muster liest. Man nimmt an, dass die Erinnerung in der Stärke vieler Verbindungen zwischen den beiden Gruppen liegt, nicht in einer einzelnen Zelle.

• Mögliche Schülervorstellung: Stummschalten tötet oder beschädigt eine Zelle.

  So gehen Sie darauf ein: Lassen Sie den letzten Schritt noch einmal laufen: Das pinkfarbene Leuchten ist sofort wieder da. Stummgeschaltete Zellen sind unversehrt. Sie feuern nur nicht.

• Mögliche Schülervorstellung: Die Lektion zeigt, wie die Fliege einen Duft lernt.

  So gehen Sie darauf ein: Das tut sie nicht. Das Modell zeigt, wo eine Erinnerung gespeichert würde, aber seine Verbindungen ändern sich nie. Sagen Sie das offen und fragen Sie, was man ergänzen müsste.

Die vollständige Liste, mit Zahlen

Antennen.

Die zwei Fühler am Kopf einer Fliege. Mit ihnen riecht die Fliege, so wie du mit deiner Nase riechst.

Duftrezeptoren.

Nervenzellen auf den Antennen, die feuern, wenn ein Duft auf ihnen landet. Hier beginnt jeder Duft.

Antennallobus.

Die erste Station für Düfte im Gehirn der Fliege. Hier geben die Duftrezeptoren ihr Signal an die Projektionsneuronen weiter.

Projektionsneuronen.

Nervenzellen, die das Duftsignal vom Antennallobus tiefer ins Gehirn tragen, bis in den Pilzkörper.

Pilzkörper.

Ein pilzförmiger Teil des Insektengehirns. Hier werden Düfte sortiert und Dufterinnerungen gespeichert.

Kenyon-Zellen.

Die kleinen Nervenzellen des Pilzkörpers. Jeder Duft schaltet eine andere Handvoll von ihnen ein. So bekommt jeder Duft sein eigenes Muster.

Ausgangsneuronen.

Nervenzellen, die das Muster der Kenyon-Zellen lesen und an den Rest des Gehirns weitergeben. In der Forschung heißen sie MBONs, kurz für englisch „mushroom body output neurons“ (Ausgangsneuronen des Pilzkörpers).

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