Ucieczka w 30 milisekund

Uczniowie śledzą odruch od oczu do mięśni nóg, trwający około 30 milisekund, i pokazują, że szybka ucieczka zależy od jednego ogniwa: włókna olbrzymiego.

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.

Łuk odruchowy

Cała droga odruchu w trzech częściach: strona czuciowa (neurony zbliżeniowe, które zgłaszają, co widzą oczy), przekaźnik (włókno olbrzymie) i neurony ruchowe (neurony skoku). Inaczej niż w odruchu kolanowym, ten przekaźnik biegnie przez mózg.

Jak budowa sieci decyduje o zachowaniu

Sygnał z setek neuronów zbliżeniowych zbiega się na włóknie olbrzymim. To wąskie gardło sprawia, że wyciszenie jednego rodzaju komórek usuwa całe zachowanie.

Synapsy i neuroprzekaźniki

Włókno olbrzymie jest grube, dlatego jego sygnał jest szybki. U prawdziwej muszki korzysta też z synaps elektrycznych, najszybszych ze wszystkich; w modelu są tylko synapsy chemiczne.

1. 5 min

   Pytanie na początek

   Pytanie do klasy: „Dlaczego tak trudno trafić muszkę packą?”. Po zebraniu kilku pomysłów warto powiedzieć, że klasa zmierzy czas ucieczki muszki i znajdzie kabel, który za nią stoi.

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 odpoczywa, gdy nadlatuje packa, i odskakuje w około 30 milisekund. Historia prowadzi do pytania: co w mózgu może działać tak szybko?

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

   Których części tego ciała muszka potrzebuje, żeby uciec?

2. Mózg

   Sygnał zaczyna się w oczach, a kończy w nogach. Którędy musi po drodze przejść?

3. Obwód

   Setki niebieskich komórek i tylko dwie czerwone linie, po jednej z każdej strony. Co zauważacie w tej trasie?

4. Neuron

   Ta jedna komórka jest wyjątkowo gruba. Dlaczego gruby kabel pomaga w szybkiej ucieczce?

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

   Packa pędzi prosto na muszkę. Naciśnij „Pobudź”, żeby uruchomić neurony zbliżeniowe (wykrywacze packi).

   Najpierw zapalają się niebieskie neurony zbliżeniowe, a czerwone włókno olbrzymie niemal od razu po nich.

2. Krok 2

   Naciśnij jeszcze raz „Pobudź”. Śledź włókno olbrzymie (kabel ucieczki) w dół, aż do łańcuszka nerwowego (jak rdzeń kręgowy).

   Aktywność biegnie włóknem olbrzymim w dół, do łańcuszka nerwowego, a żółte neurony skoku wysyłają impulsy w ciągu 30 milisekund czasu muszki.

3. Krok 3

   Teraz wycisz włókno olbrzymie (kabel ucieczki). Packę wyślemy my. Obserwuj neurony skoku (motorki nóg).

   Niebieski wciąż się zapala, czerwony pozostaje ciemny, a żółty nie zapala się wcale. Muszka zobaczyła packę, ale wiadomość nie dotarła do nóg.

4. Krok 4

   Włącz z powrotem włókno olbrzymie (kabel ucieczki): naciśnij jeszcze raz jego przycisk. Wyślemy tę samą packę.

   Żółty zapala się znowu, gdy tylko włókno olbrzymie jest z powrotem włączone.

Po wyciszeniu włókna olbrzymiego (kabla ucieczki) motorki nóg pozostały ciemne. Dlaczego?

Prawidłowa odpowiedź: Kabel ucieczki niesie motorkom nóg sygnał do skoku.

Włókno olbrzymie niesie sygnał do skoku od neuronów zbliżeniowych do neuronów skoku. Gdy jest wyciszone, muszka wciąż widzi packę, bo niebieskie komórki się zapalają, ale sygnał zatrzymuje się przed nogami. Prawdziwe muszki mają też wolniejsze drogi ucieczki, o czym mówi ostatni krok lekcji.

1. Ta ucieczka trwa krócej niż mrugnięcie okiem. Jakie cechy tego szlaku sprawiają, że jest tak szybka?
2. Dlaczego zwierzęciu może się opłacać jedna szybka droga ucieczki i kilka wolniejszych?
3. Warto porównać ten szlak ze znanym odruchem człowieka, na przykład cofnięciem ręki od czegoś gorącego. Co jest takie samo, a co inne?

• Uczniowie mogą myśleć: Muszka decyduje, że skoczy.

  Jak na to odpowiedzieć: Najszybszy skok działa jak odruch: połączenia przenoszą sygnał prosto do celu. Przy wolniejszych ucieczkach jest trochę czasu, by wycelować skok, ale nie ma czasu na zastanawianie się.

• Uczniowie mogą myśleć: Skoro muszka nie skoczyła, to nie widziała packi.

  Jak na to odpowiedzieć: Krok z wyciszeniem rozdziela te dwie rzeczy. Neurony zbliżeniowe wysyłają impulsy, więc muszka widziała packę. Widzenie i działanie to różne etapy jednego szlaku.

• Uczniowie mogą myśleć: Jeden neuron nie może mieć znaczenia w całym mózgu.

  Jak na to odpowiedzieć: Tutaj jeden rodzaj komórek niesie cały szybki sygnał. Wszędzie tam, gdzie szlak zwęża się do kilku komórek, każda z nich ma ogromne znaczenie.

Pełna lista, z liczbami

Neurony zbliżeniowe.

Komórki nerwowe za oczami muszki. Wysyłają impulsy, gdy coś szybko rośnie w polu widzenia, na przykład zbliżająca się packa. Naukowcy nazywają je LC4 i LPLC2.

Włókno olbrzymie.

Bardzo gruba komórka nerwowa, która biegnie z mózgu w dół, do łańcuszka nerwowego. Niesie najszybszy sygnał ucieczki muszki. Muszka ma dwa takie włókna, po jednym z każdej strony.

Łańcuszek nerwowy.

Odpowiednik rdzenia kręgowego u muszki: wiązka komórek nerwowych w tułowiu, która steruje nogami i skrzydłami.

Neurony skoku.

Neurony ruchowe, które kurczą mięśnie skokowe środkowych nóg, dzięki czemu muszka wyskakuje w powietrze.

Łuk odruchowy.

Droga, którą biegnie odruch: od neuronów czuciowych, przez jedną lub więcej komórek pośredniczących, do neuronów ruchowych, które poruszają mięśniem.

Neuron czuciowy.

Neuron, który wychwytuje coś ze świata, na przykład światło albo zapach, i zgłasza to mózgowi.

Neuron ruchowy.

Neuron, który niesie polecenie do mięśnia i sprawia, że mięsień się kurczy.

Synapsa elektryczna.

Bezpośredni kanał między dwoma neuronami, który przekazuje sygnał prawie bez opóźnienia. Mapa, na której opierają się lekcje, zawiera tylko synapsy chemiczne.

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