Hoe een vlieg weet welke kant hij op kijkt

Leerlingen zien dat een ring van neuronen de kijkrichting van de vlieg vasthoudt als één vlek van activiteit, en dat inhibitie door de ringneuronen die vlek op zijn plek houdt.

Een gedeeld scherm helpt, maar hoeft niet: een beamer, digibord, tv of een computerscherm dat de hele klas kan zien. Leerlingen hebben een apparaat met internet nodig, het liefst één per tweetal: een laptop, tablet of telefoon. Je hoeft niets te installeren en er zijn geen accounts nodig. Elke les begint met een korte uitleg over hoe je het scherm leest, en op elke wetenschappelijke term kun je tikken voor uitleg.

Excitatie en inhibitie

Het duidelijkste voorbeeld in de drie lessen. De draaineuronen exciteren het kompas en duwen de bult verder; de ringneuronen remmen het af en houden de bult stil.

Synapsen en neurotransmitters

De ringneuronen geven naar verwachting GABA af, een remmende neurotransmitter. De kompasneuronen en de draaineuronen geven acetylcholine af, en dat exciteert.

Hoe de bouw van een netwerk het gedrag bepaalt

De kompasneuronen zijn in een ring met elkaar verbonden. Door die vorm kan één bult van activiteit voor één richting staan.

1. 5 min

   Openingsvraag

   Vraag: “Doe je ogen dicht en draai één keer rond. Hoe weet je dan nog welke kant je op kijkt?” Vertel daarna dat een vlieg dit doet met een kleine ring van cellen, en dat de klas die zo meteen gaat rondduwen.

2. 10 min

   Demonstratie met “Laat zien hoe het werkt”

   Laat de les in klasmodus zien op een gedeeld scherm (beamer, digibord, tv of computerscherm) en druk op “Laat zien hoe het werkt”. Lees elke stap hardop voor terwijl hij afspeelt. Is er geen gedeeld scherm, dan openen leerlingen dezelfde demonstratie op hun eigen apparaat. De demonstratie stopt bij de vraag van de les: laat die nog even onbeantwoord.

3. 20 min

   Leerlingen gaan zelf aan de slag

   De leerlingen werken in tweetallen op hun eigen apparaat, met het werkblad erbij. Voor elke tik schrijven ze een voorspelling op. Ze doorlopen de les, beantwoorden de vraag en proberen vrij spel uit.

4. 10 min

   Nabespreking

   Verzamel de antwoorden van de tweetallen op de vraag van de les en gebruik daarna de discussievragen hieronder. Sluit af met wat het model weglaat.

Dror vliegt op een kier met licht af, een tochtvlaag draait hem, en hij stuurt terug op koers. Het verhaal leidt naar de vraag: hoe weet een brein welke kant zijn lijf op kijkt?

De les begint met een korte strip over Dror, de vlieg. Lees de plaatjes hardop voor of laat de leerlingen ze zelf lezen; dat duurt ongeveer een minuut. Het laatste plaatje komt terug op het eindscherm van de missie.

Projecteer de les. Sta stil bij elk van de vier niveaus en stel de bijbehorende vraag voordat je inzoomt. Met de niveauknoppen spring je naar elk niveau, en met de knop met het vergrootglas open je de zoom opnieuw op elk moment in de les.

1. Vlieg

   De vlieg heeft geen kaart en geen GPS. Wat zou hij kunnen gebruiken om een rechte koers aan te houden?

2. Brein

   Naar welke zintuigen zou een kompas hierbinnen moeten luisteren?

3. Circuit

   Deze cellen vormen een ring. Waarom zou een ring een goede vorm zijn voor een kompas?

4. Neuron

   Dit is één richtingcel. Als hij vuurt, wat zegt hij dan volgens jou over de kant die de vlieg op kijkt?

Het lijf en het brein komen van twee verschillende vliegen en worden samen op ware grootte getoond. Vertel dat aan de klas.

Vóór de stap met het stilleggen kiezen leerlingen wat er volgens hen gaat gebeuren. Laat ze eerst hun hand opsteken. Er worden geen punten gegeven, en een verkeerde gok kost niets.

1. Stap 1

   Tik op Stimuleren om links de draaineuronen (het draaisignaal) te laten vuren. Kijk dan naar de kompasschijf.

   Aan één kant van de ring licht een vlek groene kompasneuronen op, en de naald van de kompasschijf wijst ernaar. Die vlek is de bult.

2. Stap 2

   Tik nu op Stimuleren om rechts de draaineuronen (het andere signaal) te laten vuren. Hou de bult goed in de gaten.

   De bult verschuift over de kompasschijf. De twee draaisignalen duwen hem in tegengestelde richtingen.

3. Stap 3

   Nu ga je de ringneuronen (de wegwijzers) stilleggen. Die brengen binnen wat de vlieg ziet. Wij laten het rechter draaisignaal voor je vuren.

   Met de paarse ringneuronen uit laat hetzelfde signaal de bult ronddwalen, in plaats van dat hij op één plek tot rust komt.

4. Stap 4

   Tik nog een keer op de knop van de ringneuronen (de wegwijzers) om ze weer aan te zetten. Wij sturen hetzelfde draaisignaal.

   De bult blijft weer op zijn plek. Vergelijk de kompasschijf met de vorige stap.

Je hebt de wegwijzers (de paarse cellen) stilgelegd. Waarom dreef de bult weg?

Het juiste antwoord: Niets vertelde het kompas waar de oriëntatiepunten waren, dus de bult gleed weg.

Niets vertelde het kompas waar de oriëntatiepunten waren, dus niets hield de bult op zijn plek. Het draaisignaal kwam nog wel aan, want de groene cellen lichtten op. Er ontbrak dus een anker, geen input. Voor oudere leerlingen: in dit model is dat anker de inhibitie door de ringneuronen.

1. Waarom is een ring een goede vorm voor cellen die een richting bijhouden?
2. De ringneuronen remmen andere cellen af in plaats van ze te exciteren. Hoe kan een netwerk beter werken doordat cellen worden uitgezet?
3. Ook mensen raken hun richtinggevoel kwijt in het donker of in de mist. Wat heeft dat gemeen met de stap waarin je cellen stillegt?

• Leerlingen denken misschien: De vlieg heeft een magnetisch kompas, net als een telefoon.

  Zo ga je erop in: Dit kompas is een patroon van activiteit dat de vlieg bijwerkt met zijn eigen draaibewegingen en met wat hij ziet. Niets in dit circuit neemt magnetisme waar.

• Leerlingen denken misschien: Meer actieve cellen geven altijd een beter signaal.

  Zo ga je erop in: Vergelijk de laatste twee stappen: zonder inhibitie werd het kompas slechter. Inhibitie hoort bij de manier waarop het circuit werkt.

• Leerlingen denken misschien: De bult is een ding dat door het brein reist.

  Zo ga je erop in: Er beweegt geen enkele cel. Buurcellen zijn om de beurt actief, zoals bij een wave in een stadion.

De volledige lijst, met getallen

Draaineuronen.

Zenuwcellen die vuren als de vlieg draait en de bult over het kompas duwen. Wetenschappers noemen ze P-EN2-neuronen.

Kompasneuronen.

Een ring van zenuwcellen die bijhoudt welke kant de vlieg op kijkt. Wetenschappers noemen ze E-PG-neuronen.

Activiteitsbult.

De vlek van actieve kompasneuronen. Waar hij op de ring zit, laat zien welke kant de vlieg op kijkt.

Ringneuronen.

Zenuwcellen die naar het kompas brengen wat de vlieg ziet, zoals oriëntatiepunten. Ze remmen de kompasneuronen af, en dat houdt de bult op zijn plek.

Oriëntatiepunt.

Iets wat de vlieg ziet en wat op zijn plek blijft, zoals de zon of een boom. De vlieg gebruikt het om zijn richtingsgevoel stabiel te houden.

Protocerebrale brug.

Een staafvormig deel van het brein van de vlieg, de protocerebrale brug. De kompasneuronen en de draaineuronen lopen er allebei doorheen.

Dit onderdeel is nog niet ingevuld. De aansluiting op het officiële biologiecurriculum wordt nog nagegaan met biologiedocenten.