Skąd muszka wie, w którą stronę jest zwrócona

Uczniowie widzą, że pierścień neuronów przechowuje kierunek muszki jako jedną plamę aktywności, a hamowanie przez neurony pierścieniowe utrzymuje tę plamę w miejscu.

Wspólny ekran pomaga, ale nie jest konieczny: projektor, telewizor albo ekran komputera widoczny dla całej klasy. Uczniom potrzebne jest dowolne urządzenie z dostępem do internetu, najlepiej jedno na parę: laptop, tablet albo telefon. Niczego nie trzeba instalować ani zakładać kont. Każda lekcja zaczyna się od krótkiego wprowadzenia, jak czytać ekran, a każdy termin naukowy można nacisnąć, żeby zobaczyć wyjaśnienie.

Pobudzanie i hamowanie

Najwyraźniejszy przykład w trzech lekcjach. Neurony skrętu pobudzają kompas i przesuwają górkę; neurony pierścieniowe hamują go i utrzymują górkę w miejscu.

Synapsy i neuroprzekaźniki

Przewiduje się, że neurony pierścieniowe uwalniają GABA, przekaźnik hamujący. Neurony kompasu i neurony skrętu uwalniają acetylocholinę, która pobudza.

Jak budowa sieci decyduje o zachowaniu

Neurony kompasu są połączone w pierścień i to dzięki temu kształtowi jedna górka aktywności może oznaczać jeden kierunek.

1. 5 min

   Pytanie na początek

   Pytanie do klasy: „Zamknij oczy i obróć się raz dookoła. Skąd nadal wiesz, w którą stronę stoisz?”. Potem warto powiedzieć, że muszka robi to za pomocą małego pierścienia komórek, a klasa zaraz zacznie je popychać.

2. 10 min

   Pokaz z „Pokaż mi, jak to działa”

   Lekcję należy wyświetlić w trybie klasowym na wspólnym ekranie (projektor, telewizor albo ekran komputera) i nacisnąć „Pokaż mi, jak to działa”. Każdy krok warto czytać na głos w trakcie pokazu. Bez wspólnego ekranu uczniowie otwierają ten sam pokaz na własnych urządzeniach. Pokaz zatrzymuje się na pytaniu z lekcji: na razie lepiej zostawić je bez odpowiedzi.

3. 20 min

   Uczniowie badają sami

   Uczniowie pracują w parach na własnych urządzeniach, z kartą pracy. Przed każdym naciśnięciem zapisują przewidywanie, przechodzą lekcję, odpowiadają na jej pytanie i próbują swobodnych eksperymentów.

4. 10 min

   Dyskusja

   Najpierw warto zebrać odpowiedzi par na pytanie z lekcji, a potem sięgnąć po pytania do dyskusji poniżej. Na koniec: co model pomija.

Dror leci do szpary, przez którą wpada światło, przeciąg go obraca, a on wraca na kurs. Historia prowadzi do pytania: skąd mózg wie, w którą stronę zwrócone jest ciało?

Lekcja zaczyna się od krótkiego komiksu, którego bohaterem jest Dror, muszka. Kadry można przeczytać na głos albo dać je do przeczytania uczniom; zajmuje to około minuty. Ostatni kadr wraca na ekranie ukończenia misji.

Lekcję należy wyświetlić na wspólnym ekranie. Przy każdym z czterech poziomów warto się zatrzymać i zadać przypisane do niego pytanie, zanim nastąpi przybliżenie. Przyciski poziomów przenoszą do dowolnego poziomu, a przycisk z lupą otwiera zbliżenie ponownie w każdym momencie lekcji.

1. Muszka

   Muszka nie ma mapy ani GPS. Z czego mogłaby skorzystać, żeby lecieć prosto?

2. Mózg

   Jakich zmysłów musiałby słuchać kompas, który jest tu w środku?

3. Obwód

   Te komórki tworzą pierścień. Dlaczego pierścień może być dobrym kształtem dla kompasu?

4. Neuron

   To jedna komórka kierunku. Jeśli wysyła impuls, to co waszym zdaniem mówi o tym, w którą stronę zwrócona jest muszka?

Ciało i mózg pochodzą od dwóch różnych muszek i są pokazane razem w prawdziwych rozmiarach. Warto powiedzieć o tym klasie.

Przed krokiem z wyciszaniem uczniowie wybierają, co ich zdaniem się stanie. Najpierw warto poprosić o podniesienie rąk. Nic nie jest oceniane, a błędne przewidywanie nic nie kosztuje.

1. Krok 1

   Naciśnij „Pobudź”, żeby uruchomić lewe neurony skrętu (sygnał skrętu). Potem obserwuj tarczę kompasu.

   Po jednej stronie pierścienia zapala się plama zielonych neuronów kompasu, a igła tarczy wskazuje właśnie ją. Ta plama to górka.

2. Krok 2

   Teraz naciśnij „Pobudź”, żeby uruchomić prawe neurony skrętu (drugi sygnał). Nie spuszczaj oka z górki.

   Górka przesuwa się po tarczy. Dwa sygnały skrętu pchają ją w przeciwne strony.

3. Krok 3

   Wycisz neurony pierścieniowe (kurierów widoków). Dostarczają mózgowi to, co widzi muszka. Prawy sygnał skrętu uruchomimy za ciebie.

   Gdy fioletowe neurony pierścieniowe są wyłączone, po tym samym sygnale górka wędruje, zamiast zatrzymać się w jednym miejscu.

4. Krok 4

   Włącz z powrotem neurony pierścieniowe (kurierów widoków): naciśnij jeszcze raz ich przycisk. Wyślemy ten sam sygnał skrętu.

   Górka znów trzyma się swojego miejsca. Warto porównać tarczę z poprzednim krokiem.

Po wyciszeniu kurierów widoków (fioletowych komórek) górka zaczęła dryfować. Dlaczego?

Prawidłowa odpowiedź: Nic nie mówiło kompasowi, gdzie są punkty orientacyjne, więc górka się zsunęła.

Nic nie mówiło kompasowi, gdzie są punkty orientacyjne, więc nic nie trzymało górki w miejscu. Sygnał skrętu wciąż docierał, bo zielone komórki się zapalały, czyli brakowało kotwicy, a nie sygnału wejściowego. Dla starszych uczniów: w tym modelu kotwicą jest hamowanie przez neurony pierścieniowe.

1. Dlaczego pierścień to dobry kształt dla komórek, które śledzą kierunek?
2. Neurony pierścieniowe uciszają inne komórki, zamiast je pobudzać. Jak wyłączanie komórek może pomóc sieci działać lepiej?
3. Ludzie też tracą orientację w ciemności albo we mgle. Co to ma wspólnego z krokiem, w którym wyciszamy komórki?

• Uczniowie mogą myśleć: Muszka ma kompas magnetyczny, taki jak w telefonie.

  Jak na to odpowiedzieć: Ten kompas to wzór aktywności, który muszka aktualizuje na podstawie własnych skrętów i tego, co widzi. Nic w tym obwodzie nie wyczuwa pola magnetycznego.

• Uczniowie mogą myśleć: Im więcej aktywnych komórek, tym lepszy sygnał.

  Jak na to odpowiedzieć: Warto porównać dwa ostatnie kroki: bez hamowania kompas działał gorzej. Hamowanie jest częścią tego, jak działa obwód.

• Uczniowie mogą myśleć: Górka to przedmiot, który wędruje przez mózg.

  Jak na to odpowiedzieć: Żadna komórka się nie przesuwa. Sąsiednie komórki uaktywniają się po kolei, jak fala meksykańska na stadionie.

Pełna lista, z liczbami

Neurony skrętu.

Komórki nerwowe, które wysyłają impulsy, gdy muszka skręca, i przesuwają górkę po kompasie. Naukowcy nazywają je neuronami P-EN2.

Neurony kompasu.

Pierścień komórek nerwowych, który śledzi, w którą stronę zwrócona jest muszka. Naukowcy nazywają je neuronami E-PG.

Górka aktywności.

Plama aktywnych neuronów kompasu. Jej miejsce na pierścieniu pokazuje, w którą stronę zwrócona jest muszka.

Neurony pierścieniowe.

Komórki nerwowe, które przynoszą do kompasu to, co widzi muszka, na przykład punkty orientacyjne. Uciszają neurony kompasu i dzięki temu górka trzyma się miejsca.

Punkt orientacyjny.

Coś, co muszka widzi i co stoi w miejscu, na przykład słońce albo drzewo. Dzięki niemu muszka nie gubi poczucia kierunku.

Mostek protocerebralny.

Część mózgu muszki w kształcie pręta, czyli mostek protocerebralny. Biegną przez nią i neurony kompasu, i neurony skrętu.

Ta część nie jest jeszcze uzupełniona. Zgodność z oficjalną podstawą programową z biologii jest właśnie potwierdzana z nauczycielami biologii.