Как муха знает, куда она смотрит

Ученики видят, что кольцо нейронов хранит направление мухи в виде одного пятна активности, а торможение со стороны кольцевых нейронов удерживает это пятно на месте.

Общий экран полезен, но не обязателен: проектор, телевизор или экран компьютера, который видит весь класс. Ученикам нужно любое устройство с доступом в интернет, лучше одно на каждую пару: ноутбук, планшет или телефон. Ничего не нужно устанавливать, учётные записи не нужны. Каждый урок начинается с короткой подсказки, как читать экран, а на любой научный термин можно нажать и увидеть пояснение.

Возбуждение и торможение

Самый наглядный пример во всех трёх уроках. Нейроны поворота возбуждают компас и сдвигают пятно, а кольцевые нейроны тормозят его и удерживают пятно на месте.

Синапсы и нейромедиаторы

Предполагается, что кольцевые нейроны выделяют GABA (ГАМК) — тормозной медиатор. Нейроны компаса и нейроны поворота выделяют ацетилхолин, который возбуждает.

Как строение сети определяет поведение

Нейроны компаса соединены в кольцо, и именно благодаря этой форме одно пятно активности может обозначать одно направление.

1. 5 мин

   Вопрос для начала

   Спросите: «Закройте глаза и повернитесь один раз вокруг себя. Как вы всё равно знаете, куда смотрите?» Потом скажите, что муха делает это с помощью маленького кольца клеток, и сейчас класс будет их подталкивать.

2. 10 мин

   Демонстрация с «Покажи, как это работает»

   Покажите урок в режиме для класса на общем экране (проектор, телевизор или экран компьютера) и нажмите «Покажи, как это работает». Читайте каждый шаг вслух, пока он проигрывается. Если общего экрана нет, ученики открывают тот же показ на своих устройствах. Показ остановится на вопросе урока — пока оставьте его без ответа.

3. 20 мин

   Ученики исследуют сами

   Ученики работают парами на своих устройствах, с рабочим листом. Перед каждым нажатием они записывают предсказание, проходят урок, отвечают на его вопрос и пробуют свободный режим.

4. 10 мин

   Обсуждение

   Соберите ответы пар на вопрос урока, затем перейдите к вопросам для обсуждения ниже. В конце поговорите о том, чего в модели нет.

Дрор летит к полоске света, сквозняк разворачивает его, и он возвращается на курс. История подводит к вопросу: откуда мозг знает, куда повёрнуто тело?

Урок открывается коротким комиксом, герой которого — Дрор, муха. Прочитайте кадры вслух или дайте ученикам прочитать их самим; это займёт около минуты. Последний кадр снова появится на экране победы.

Выведите урок на общий экран. Останавливайтесь на каждом из четырёх уровней и задавайте его вопрос, прежде чем приближать. Кнопки уровней переносят на любой уровень, а кнопка с лупой снова открывает приближение в любой момент урока.

1. Муха

   У мухи нет ни карты, ни GPS. Что могло бы помочь ей держать прямой курс?

2. Мозг

   К каким органам чувств должен прислушиваться компас, спрятанный здесь?

3. Цепь

   Эти клетки образуют кольцо. Почему кольцо может быть удачной формой для компаса?

4. Нейрон

   Это одна клетка направления. Если она срабатывает, что, по-вашему, это говорит о том, куда смотрит муха?

Тело и мозг взяты у двух разных мух и показаны вместе в настоящем масштабе. Скажите об этом классу.

Перед шагом с выключением ученики выбирают, что, по их мнению, произойдёт. Сначала попросите поднять руки. Оценок нет, и неверная догадка ничего не стоит.

1. Шаг 1

   Нажми «Стимулировать», чтобы запустить левые нейроны поворота (сигнал поворота). Потом следи за шкалой компаса.

   С одной стороны кольца загорается пятно зелёных нейронов компаса, и стрелка шкалы указывает на него. Это и есть пятно активности, за которым следит урок.

2. Шаг 2

   Теперь нажми «Стимулировать» для правых нейронов поворота (второй сигнал). Не своди глаз с пятна.

   Пятно сдвигается по шкале. Два сигнала поворота толкают его в противоположные стороны.

3. Шаг 3

   Выключи кольцевые нейроны (носители ориентиров). Они передают то, что видит муха. Сигнал поворота справа мы запустим за тебя.

   Когда фиолетовые кольцевые нейроны выключены, от того же сигнала пятно блуждает и не останавливается на одном месте.

4. Шаг 4

   Снова нажми на кнопку кольцевых нейронов (носителей ориентиров), чтобы включить их обратно. Мы отправим тот же сигнал поворота.

   Пятно снова держится на месте. Сравните шкалу с предыдущим шагом.

Носители ориентиров (фиолетовые клетки) выключены. Почему пятно уплыло?

Верный вариант: Ничто не сообщало компасу, где ориентиры, и пятно соскользнуло.

Компасу ничто не сообщало, где находятся ориентиры, поэтому ничто не удерживало пятно на месте. Сигнал поворота всё же пришёл — зелёные клетки загорелись, — значит, не хватало не входного сигнала, а якоря. Для старших учеников: в этой модели якорь — это торможение со стороны кольцевых нейронов.

1. Почему кольцо — удачная форма для клеток, которые следят за направлением?
2. Кольцевые нейроны не возбуждают другие клетки, а успокаивают их. Как выключение клеток может помочь сети работать лучше?
3. Люди тоже теряют чувство направления в темноте или в тумане. Что общего у этого с шагом, где кольцевые нейроны выключены?

• Ученики могут думать: У мухи есть магнитный компас, как в телефоне.

  Как с этим работать: Этот компас — узор активности, который муха обновляет по собственным поворотам и по тому, что видит. Ничто в этой сети не чувствует магнитное поле.

• Ученики могут думать: Чем больше активных клеток, тем лучше сигнал.

  Как с этим работать: Сравните два последних шага: без торможения компас стал работать хуже. Торможение — часть того, как работает сеть.

• Ученики могут думать: Пятно — это предмет, который перемещается по мозгу.

  Как с этим работать: Ни одна клетка не двигается. Соседние клетки активны по очереди — как «волна», которая бежит по трибунам стадиона.

Полный список, с числами

Нейроны поворота.

Нервные клетки, которые срабатывают, когда муха поворачивается, и сдвигают пятно по кругу компаса. Учёные называют их нейронами P-EN2.

Нейроны компаса.

Кольцо нервных клеток, которое следит за тем, куда смотрит муха. Учёные называют их нейронами E-PG.

Пятно активности.

Участок активных нейронов компаса. Его место на кольце показывает, куда смотрит муха.

Кольцевые нейроны.

Нервные клетки, которые передают компасу то, что видит муха, например ориентиры. Они успокаивают нейроны компаса, и это удерживает пятно на месте.

Ориентир.

То, что муха видит и что остаётся на месте, например солнце или дерево. По нему муха удерживает чувство направления.

Протоцеребральный мост.

Часть мозга мухи в форме перекладины — протоцеребральный мост. Через него проходят и нейроны компаса, и нейроны поворота.

Этот раздел пока не заполнен. Соответствие официальной программе по биологии сейчас уточняется с преподавателями биологии.