Comment une mouche s’oriente

Les élèves constatent qu’un anneau de neurones garde l’orientation de la mouche sous la forme d’une seule tache d’activité, et que l’inhibition exercée par les neurones en anneau maintient cette tache en place.

Un écran partagé est utile, mais facultatif : vidéoprojecteur, téléviseur ou écran d’ordinateur visible par toute la classe. Les élèves ont besoin d’un appareil connecté à Internet, idéalement un pour deux : ordinateur portable, tablette ou téléphone. Rien à installer, aucun compte à créer. Chaque leçon s’ouvre sur un court guide de lecture de l’écran, et il suffit d’appuyer sur un terme scientifique pour en afficher l’explication.

Excitation et inhibition

L’exemple le plus net des trois leçons. Les neurones de rotation excitent la boussole et poussent la bosse ; les neurones en anneau l’inhibent et immobilisent la bosse.

Synapses et neurotransmetteurs

D’après les prédictions, les neurones en anneau libèrent du GABA, un neurotransmetteur inhibiteur. Les neurones de la boussole et les neurones de rotation libèrent de l’acétylcholine, qui excite.

Comment la structure d’un réseau détermine le comportement

Les neurones de la boussole sont câblés en anneau, et c’est cette forme qui permet à une seule bosse d’activité de représenter une seule direction.

1. 5 min

   Question d’ouverture

   Demandez : « Fermez les yeux et faites un tour sur vous-mêmes. Comment savez-vous encore dans quelle direction vous êtes tournés ? » Expliquez ensuite qu’une mouche y parvient avec un petit anneau de cellules, et que la classe va les bousculer un peu.

2. 10 min

   Démonstration avec « Montre-moi comment ça marche »

   Affichez la leçon en mode classe sur un écran partagé (vidéoprojecteur, téléviseur ou écran d’ordinateur) et appuyez sur « Montre-moi comment ça marche ». Lisez chaque étape à voix haute pendant qu’elle se déroule. Sans écran partagé, les élèves ouvrent la même démonstration sur leurs appareils. La démonstration s’arrête à la question de la leçon : laissez-la sans réponse pour l’instant.

3. 20 min

   Exploration par les élèves

   Les élèves travaillent en binômes sur leurs propres appareils, avec la fiche élève. Ils notent une prévision avant chaque appui, suivent la leçon, répondent à sa question, puis essaient l’exploration libre.

4. 10 min

   Discussion

   Recueillez les réponses des binômes à la question de la leçon, puis appuyez-vous sur les questions de discussion ci-dessous. Terminez par ce que le modèle laisse de côté.

Dror file vers une fente de lumière, un courant d’air le fait tourner, et il reprend son cap. L’histoire amène la question : comment un cerveau sait-il de quel côté son corps est tourné ?

La leçon s’ouvre sur une courte bande dessinée consacrée à Dror, la mouche. Lisez les cases à voix haute ou laissez les élèves les lire ; cela prend environ une minute. La dernière case revient sur l’écran de fin de mission.

Projetez la leçon. Faites une pause à chacun des quatre niveaux et posez sa question avant de zoomer. Les boutons de niveau permettent d’aller directement à n’importe quel niveau, et le bouton en forme de loupe rouvre le zoom à tout moment de la leçon.

1. Mouche

   La mouche n’a ni carte ni GPS. De quoi pourrait-elle se servir pour garder un cap bien droit ?

2. Cerveau

   Quels sens une boussole logée ici devrait-elle écouter ?

3. Circuit

   Ces cellules forment un anneau. Pourquoi un anneau serait-il une bonne forme pour une boussole ?

4. Neurone

   Voici une cellule d’orientation. Si elle s’active, que dit-elle, à votre avis, sur le côté vers lequel la mouche est tournée ?

Le corps et le cerveau viennent de deux mouches différentes, montrées ensemble à leur taille réelle. Dites-le à la classe.

Avant l’étape où l’on fait taire des cellules, les élèves choisissent ce qui va se passer, à leur avis. Commencez par un vote à main levée. Rien n’est noté, et une mauvaise réponse ne coûte rien.

1. Étape 1

   Appuie sur « Stimuler » pour activer les neurones de rotation (l’ordre de tourner) du côté gauche. Puis regarde le cadran de la boussole.

   Une tache de neurones de la boussole, en vert, s’allume d’un côté de l’anneau, et l’aiguille du cadran pointe vers elle. Cette tache, c’est la bosse.

2. Étape 2

   Maintenant, appuie sur « Stimuler » pour les neurones de rotation (l’autre ordre) du côté droit. Garde les yeux sur la bosse.

   La bosse se déplace autour du cadran. Les deux ordres de tourner la poussent dans des sens opposés.

3. Étape 3

   Fais taire les neurones en anneau (les porte-repères). Ils apportent ce que la mouche voit. On envoie à ta place l’ordre de tourner du côté droit.

   Quand les neurones en anneau, en violet, sont éteints, le même ordre laisse la bosse errer au lieu de se fixer à un endroit.

4. Étape 4

   Appuie de nouveau sur le bouton des neurones en anneau (les porte-repères) pour les réactiver. On envoie le même ordre de tourner.

   La bosse tient de nouveau sa place. Comparez le cadran avec celui de l’étape précédente.

Tu as fait taire les porte-repères (les cellules violettes). Pourquoi la bosse a-t-elle dérivé ?

Le bon choix: Rien n’indiquait à la boussole où étaient les repères, alors la bosse a glissé.

Rien n’indiquait à la boussole où étaient les repères : rien ne retenait donc la bosse en place. L’ordre de tourner est bien arrivé, puisque les cellules vertes se sont allumées ; il manquait donc un ancrage, et non une entrée. Pour les élèves plus âgés : dans ce modèle, l’ancrage est l’inhibition exercée par les neurones en anneau.

1. Pourquoi l’anneau est-il une bonne forme pour des cellules qui gardent la trace d’une direction ?
2. Les neurones en anneau calment d’autres cellules au lieu de les exciter. Comment le fait d’éteindre des cellules peut-il aider un réseau à mieux fonctionner ?
3. Nous aussi, nous perdons le sens de l’orientation dans le noir ou dans le brouillard. Quel est le point commun avec l’étape où l’on fait taire les neurones en anneau ?

• Les élèves peuvent penser : La mouche a une boussole magnétique, comme celle d’un téléphone.

  Comment y répondre : Cette boussole est un motif d’activité que la mouche met à jour à partir de ses propres rotations et de ce qu’elle voit. Rien dans ce circuit ne détecte le magnétisme.

• Les élèves peuvent penser : Plus il y a de cellules actives, meilleur est le signal.

  Comment y répondre : Comparez les deux dernières étapes : supprimer l’inhibition a rendu la boussole moins bonne. L’inhibition fait partie du fonctionnement du circuit.

• Les élèves peuvent penser : La bosse est un objet qui se déplace dans le cerveau.

  Comment y répondre : Aucune cellule ne bouge. Des cellules voisines s’activent tour à tour, comme une ola qui fait le tour d’un stade.

La liste complète, chiffres à l’appui

Neurones de rotation.

Des cellules nerveuses qui s’activent quand la mouche tourne et poussent la bosse autour de la boussole. Les scientifiques les appellent neurones P-EN2.

Neurones de la boussole.

Un anneau de cellules nerveuses qui garde en mémoire la direction vers laquelle la mouche est tournée. Les scientifiques les appellent neurones E-PG.

Bosse d’activité.

La zone de neurones de la boussole qui sont actifs. Sa position sur l’anneau indique la direction vers laquelle la mouche est tournée.

Neurones en anneau.

Des cellules nerveuses qui apportent à la boussole ce que la mouche voit, comme les repères. Elles calment les neurones de la boussole : la bosse reste en place.

Repère.

Quelque chose que la mouche voit et qui ne bouge pas, comme le soleil ou un arbre. Il l’aide à garder un sens de l’orientation stable.

Pont protocérébral.

Une partie du cerveau de la mouche en forme de barre, le pont protocérébral. Les neurones de la boussole et les neurones de rotation le traversent.

Cette section n’est pas encore rédigée. La correspondance avec le programme officiel de SVT est en cours de validation avec des enseignants de la discipline.