초파리가 방향을 아는 법

학생들은 고리 모양으로 늘어선 뉴런이 초파리가 향한 방향을 활동이 몰린 한 부분으로 담고 있다는 것, 그리고 링 뉴런의 억제가 그 부분을 제자리에 붙잡아 둔다는 것을 알게 돼요.

함께 보는 화면이 있으면 좋지만 꼭 필요하지는 않아요. 프로젝터, TV, 또는 반 전체가 볼 수 있는 컴퓨터 화면이면 돼요. 학생들에게는 인터넷에 연결되는 기기가 필요하고, 두 명당 한 대면 좋아요. 노트북, 태블릿, 휴대폰 모두 괜찮아요. 설치할 것도, 만들 계정도 없어요. 수업마다 화면 읽는 법을 알려 주는 짧은 안내로 시작하고, 과학 용어는 모두 눌러서 설명을 볼 수 있어요.

흥분과 억제

세 수업 가운데 가장 뚜렷한 예예요. 회전 뉴런은 나침반을 흥분시켜 봉우리를 밀고, 링 뉴런은 나침반을 억제해 봉우리를 제자리에 붙잡아 둬요.

시냅스와 신경전달물질

링 뉴런은 억제 작용을 하는 신경전달물질인 GABA를 내보낼 것으로 예측돼요. 나침반 뉴런과 회전 뉴런은 흥분을 일으키는 아세틸콜린을 내보내요.

신경망의 구조가 행동을 결정하는 방식

나침반 뉴런은 고리 모양으로 배선되어 있어요. 바로 그 모양 덕분에 활동의 봉우리 하나가 방향 하나를 나타낼 수 있어요.

1. 5분

   여는 질문

   이렇게 물어보세요. “눈을 감고 제자리에서 한 바퀴 돌아 보세요. 그래도 내가 어느 쪽을 보고 있는지 어떻게 알까요?” 그다음 초파리는 작은 고리 모양으로 늘어선 세포들로 이 일을 하고, 이제 우리가 그 세포들을 이리저리 밀어 볼 거라고 말해 주세요.

2. 10분

   ‘어떻게 작동하는지 보여 주세요’로 시연하기

   수업을 교실 모드로 함께 보는 화면(프로젝터, TV, 컴퓨터 화면)에 띄우고 ‘어떻게 작동하는지 보여 주세요’를 누르세요. 재생되는 동안 각 단계를 소리 내어 읽어 주세요. 함께 보는 화면이 없으면 학생들이 각자 기기에서 같은 시연을 열면 돼요. 시연은 수업의 질문에서 멈춰요. 그 질문은 일단 답하지 않고 남겨 두세요.

3. 20분

   학생 탐구

   학생들은 둘씩 짝을 지어 자기 기기와 활동지로 활동해요. 버튼을 누르기 전마다 예상을 적고, 수업을 진행하고, 수업의 질문에 답한 다음 자유 실험을 해 봐요.

4. 10분

   토론

   수업의 질문에 각 짝이 고른 답을 모은 다음, 아래의 토론 질문을 활용하세요. 이 모델이 빠뜨린 것이 무엇인지 이야기하며 마무리하세요.

드로르은 빛이 새어 드는 틈을 향해 가다가 외풍에 몸이 돌아가고, 다시 방향을 바로잡아요. 이 이야기는 다음 질문으로 이어져요. 뇌는 몸이 어느 쪽을 향하고 있는지 어떻게 알까요?

수업은 초파리 드로르이 나오는 짧은 만화로 시작해요. 컷을 소리 내어 읽어 주거나 학생들이 직접 읽게 하세요. 1분쯤 걸려요. 마지막 컷은 미션 완료 화면에 다시 나와요.

수업을 화면에 띄우세요. 네 단계마다 멈추고, 확대하기 전에 그 단계의 질문을 던지세요. 단계 버튼을 누르면 원하는 단계로 바로 갈 수 있고, 돋보기 버튼을 누르면 수업 중 언제든 확대 여행을 다시 열 수 있어요.

1. 초파리

   초파리에게는 지도도 GPS도 없어요. 똑바로 나아가려면 무엇을 이용할 수 있을까요?

2. 뇌

   이 안에 있는 나침반은 어떤 감각의 소식을 들어야 할까요?

3. 회로

   이 세포들은 고리를 이루고 있어요. 고리가 나침반에 알맞은 모양인 까닭은 무엇일까요?

4. 뉴런

   이것은 방향 세포 하나예요. 이 세포가 발화하면, 초파리가 어느 쪽을 향하고 있다고 말하는 걸까요?

몸과 뇌는 서로 다른 초파리 두 마리에서 왔고, 실제 크기 비율대로 함께 보여 줘요. 이 점을 학생들에게 말해 주세요.

끄기 단계에 앞서 학생들은 어떤 일이 일어날지 골라요. 먼저 손을 들어 의견을 확인하세요. 점수를 매기지 않고, 틀려도 잃는 것이 없어요.

1. 1단계

   ‘자극하기’를 눌러 왼쪽 회전 뉴런 (방향 지시등)을 발화시키세요. 그다음 나침반 다이얼을 지켜보세요.

   고리 한쪽에서 초록색 나침반 뉴런 한 부분이 빛나고, 다이얼의 바늘이 그곳을 가리켜요. 그 부분이 바로 봉우리예요.

2. 2단계

   이번에는 오른쪽 회전 뉴런 (반대쪽 지시등)의 ‘자극하기’를 누르세요. 봉우리에서 눈을 떼지 마세요.

   봉우리가 다이얼을 따라 움직여요. 두 회전 신호는 봉우리를 서로 반대 방향으로 밀어요.

3. 3단계

   링 뉴런 (랜드마크 배달원)을 꺼 보세요. 초파리가 보는 것을 전해 주는 뉴런이에요. 오른쪽 회전 신호는 대신 발화시켜 줄게요.

   보라색 링 뉴런을 끄면, 같은 신호를 보내도 봉우리가 한곳에 자리 잡지 못하고 떠돌아요.

4. 4단계

   링 뉴런 (랜드마크 배달원) 버튼을 한 번 더 눌러 다시 켜 보세요. 같은 회전 신호를 보내 줄게요.

   봉우리가 다시 제자리를 지켜요. 다이얼을 앞 단계와 비교해 보세요.

랜드마크 배달원(보라색 세포)을 껐어요. 봉우리는 왜 떠돌았을까요?

정답: 랜드마크가 어디 있는지 나침반에 알려 줄 것이 없어서 봉우리가 미끄러졌어요.

랜드마크가 어디 있는지 나침반에 알려 주는 것이 없어서, 봉우리를 제자리에 붙잡아 둘 것도 없었어요. 초록색 세포가 빛났으니 회전 신호는 도착했어요. 그러니까 빠진 것은 입력이 아니라 닻이에요. 고학년 학생에게는 이 모델에서 그 닻이 링 뉴런의 억제라고 알려 주세요.

1. 방향을 기억하는 세포들에게 고리 모양이 좋은 이유는 무엇일까요?
2. 링 뉴런은 다른 세포를 흥분시키는 대신 조용하게 만들어요. 세포를 끄는 일이 어떻게 신경망이 더 잘 작동하도록 도울 수 있을까요?
3. 사람도 어둠 속이나 안개 속에서는 방향 감각을 잃어요. 이것은 끄기 단계와 어떤 점이 닮았나요?

• 학생들이 이렇게 생각할 수 있어요: 초파리에게는 휴대폰에 든 것 같은 자기 나침반이 있다.

  이렇게 바로잡아 주세요: 이 나침반은 활동의 패턴이에요. 초파리는 자기가 돈 방향과 눈에 보이는 것으로 이 패턴을 고쳐 나가요. 이 회로에는 자기를 느끼는 것이 없어요.

• 학생들이 이렇게 생각할 수 있어요: 활동하는 세포가 많을수록 신호는 언제나 더 좋아진다.

  이렇게 바로잡아 주세요: 마지막 두 단계를 비교해 보세요. 억제를 없애자 나침반이 더 나빠졌어요. 억제는 회로가 작동하는 방식의 일부예요.

• 학생들이 이렇게 생각할 수 있어요: 봉우리는 뇌 속을 돌아다니는 물체다.

  이렇게 바로잡아 주세요: 움직이는 세포는 없어요. 경기장 관중의 파도타기처럼, 이웃한 세포들이 차례로 활동할 뿐이에요.

숫자까지 담은 전체 목록

회전 뉴런.

초파리가 몸을 돌릴 때 발화해서 봉우리를 나침반을 따라 밀어 주는 신경 세포예요. 과학자들은 P-EN2 뉴런이라고 불러요.

나침반 뉴런.

고리 모양으로 늘어선 신경 세포예요. 초파리가 어느 쪽을 바라보는지 계속 기억해요. 과학자들은 E-PG 뉴런이라고 불러요.

활동 봉우리.

활동 중인 나침반 뉴런이 모여 있는 부분이에요. 고리 위에서 봉우리가 있는 자리가 초파리가 바라보는 방향을 알려 줘요.

링 뉴런.

랜드마크처럼 초파리가 보는 것을 나침반에 전하는 신경 세포예요. 나침반 뉴런을 조용하게 만들어서 봉우리를 제자리에 붙잡아 둬요.

랜드마크.

해나 나무처럼 초파리 눈에 보이면서 제자리에 그대로 있는 것이에요. 초파리는 랜드마크 덕분에 방향 감각을 흔들림 없이 지켜요.

전대뇌교.

초파리 뇌에 있는 막대 모양 부분으로, 전대뇌교라고 해요. 나침반 뉴런과 회전 뉴런이 모두 이곳을 지나가요.

이 부분은 아직 채워지지 않았어요. 공식 생물 교육과정과 어떻게 맞는지 생물 교사들과 확인하고 있어요.