Jak muszka zapamiętuje zapach

Uczniowie śledzą drogę zapachu od receptorów do komórek, które odczytują jego wspomnienie, i pokazują, że wyciszenie jednej warstwy szlaku odcina wszystko, co leży za nią.

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.

Synapsy i neuroprzekaźniki

Każda warstwa przekazuje sygnał następnej przez synapsy. Naukowcy uważają, że sama pamięć to zmiana siły synaps między komórkami Kenyona a neuronami wyjściowymi.

Jak budowa sieci decyduje o zachowaniu

Szlak jest łańcuchem warstw, dlatego wyciszenie komórek Kenyona gasi neurony wyjściowe, mimo że zapach wciąż dociera do mózgu.

Pobudzanie i hamowanie

„Pobudź” pobudza komórki, a „Wycisz” nie pozwala im działać: to dwa narzędzia tej lekcji. W tej części obwodu każda warstwa pobudza następną.

1. 5 min

   Pytanie na początek

   Pytanie do klasy: „Skąd twój mózg wie, że ten zapach już kiedyś spotkał?”. Po kilku próbach odpowiedzi warto powiedzieć, że dziś klasa poszuka odpowiedzi w mózgu muszki.

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 czuje dojrzałą brzoskwinię, rozpoznaje zapach, który poprzednio doprowadził go do jedzenia, i leci za nim pod wiatr. Historia prowadzi do pytania: gdzie w mózgu przechowywane jest to wspomnienie?

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

   W którym miejscu tego ciała szukalibyście nosa?

2. Mózg

   Mózg wypełnia większość głowy. Jak myślicie, co zajmuje w nim tyle miejsca?

3. Obwód

   Zapach wchodzi przez pomarańczowe komórki. Jak myślicie, do którego koloru dociera na końcu?

4. Neuron

   Kropka to jeden impuls. Jak jedna komórka mogłaby powiedzieć reszcie mózgu o zapachu?

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

   Muszka wącha czułkami (dwoma różkami). Naciśnij „Pobudź”, żeby wysłać do niej zapach. Zobacz, jak zapalają się pomarańczowe neurony.

   Zapalają się tylko pomarańczowe receptory węchowe. Sygnał zaczyna się na jednym końcu obwodu, a nie wszędzie naraz.

2. Krok 2

   Naciśnij znowu „Pobudź” i śledź kolory. Żółte neurony projekcyjne (posłańcy zapachu) niosą zapach w głąb mózgu. Dalej przejmują go niebieskie komórki Kenyona (sortery zapachów).

   Kolory zapalają się po kolei: pomarańczowy, potem żółty, potem niebieski. Sygnał przechodzi przez warstwy jedna po drugiej.

3. Krok 3

   Naciśnij „Pobudź” jeszcze raz. Teraz patrz na różowe neurony wyjściowe (czytniki pamięci). Odczytują niebieski wzór.

   Różowe neurony wyjściowe zapalają się na końcu i dopiero po niebieskich komórkach Kenyona.

4. Krok 4

   Teraz wycisz komórki Kenyona (sortery zapachów). Zapach wyślemy za ciebie. Co zniknie?

   Pomarańczowy i żółty wciąż się zapalają, niebieski pozostaje ciemny, a różowy prawie znika. Zapach dotarł do mózgu, ale nie mógł pójść dalej.

5. Krok 5

   Włącz z powrotem komórki Kenyona (sortery zapachów): naciśnij jeszcze raz ich przycisk. Wyślemy ten sam zapach.

   Różowy wraca, gdy tylko komórki Kenyona znów są włączone. Nic nie zostało uszkodzone: sygnał po prostu nie miał którędy przejść.

Po wyciszeniu komórek Kenyona (tych niebieskich) różowe komórki zgasły. Dlaczego?

Prawidłowa odpowiedź: Niebieskie komórki przekazują wzór każdego zapachu różowym komórkom.

Komórki Kenyona przekazują wzór każdego zapachu neuronom wyjściowym. Gdy są wyciszone, zapach wciąż dociera do receptorów i neuronów projekcyjnych, ale neurony wyjściowe nie mają czego odczytać. Uczniów, którzy odpowiedzą „zapach w ogóle nie dostał się do muszki”, warto odesłać do pomarańczowych i żółtych komórek.

1. Gdy komórki Kenyona były wyciszone, zapach wciąż docierał do mózgu. Skąd to wiemy?
2. Załóżmy, że muszka nauczyła się, że ten zapach oznacza cukier. W którym miejscu tego obwodu coś powinno się wtedy zmienić?
3. Co będzie widać, jeśli zamiast nich wyciszy się żółte neurony projekcyjne? Warto to sprawdzić w swobodnych eksperymentach.

• Uczniowie mogą myśleć: Wspomnienie siedzi w jednej komórce, jak plik.

  Jak na to odpowiedzieć: Warto wrócić do kroku, w którym różowe komórki odczytują niebieskie. Uważa się, że pamięć tkwi w sile wielu połączeń między tymi dwiema grupami, a nie w pojedynczej komórce.

• Uczniowie mogą myśleć: Wyciszenie komórki zabija ją albo uszkadza.

  Jak na to odpowiedzieć: Wystarczy powtórzyć ostatni krok: różowe światło wraca od razu. Wyciszone komórki są całe. Po prostu nie wysyłają impulsów.

• Uczniowie mogą myśleć: Lekcja pokazuje, jak muszka uczy się zapachu.

  Jak na to odpowiedzieć: Nie pokazuje. Model pokazuje, gdzie wspomnienie byłoby zapisane, ale jego połączenia nigdy się nie zmieniają. Warto powiedzieć to wprost i zapytać, co trzeba by dodać.

Pełna lista, z liczbami

Czułki.

Dwa różki na głowie muszki. Muszka wącha nimi tak, jak ty wąchasz nosem.

Receptory węchowe.

Komórki nerwowe na czułkach, które wysyłają impulsy, gdy trafi na nie zapach. Tu zaczyna się każdy zapach.

Płat czułkowy.

Pierwszy przystanek zapachów w mózgu muszki. Tu receptory węchowe przekazują sygnał neuronom projekcyjnym.

Neurony projekcyjne.

Komórki nerwowe, które niosą sygnał zapachu z płata czułkowego w głąb mózgu, do ciała grzybkowatego.

Ciało grzybkowate.

Część mózgu owada w kształcie grzyba. Tu zapachy są sortowane i tu przechowywane są wspomnienia zapachów.

Komórki Kenyona.

Małe komórki nerwowe ciała grzybkowatego. Każdy zapach włącza inną ich garstkę, więc każdy zapach ma swój własny wzór.

Neurony wyjściowe.

Komórki nerwowe, które odczytują wzór komórek Kenyona i przekazują go reszcie mózgu. Naukowcy nazywają je MBON: to skrót od angielskiej nazwy neuronów wyjściowych ciała grzybkowatego.

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