Спасение за 30 миллисекунд

Ученики прослеживают рефлекс от глаз до мышц ног примерно за 30 миллисекунд и показывают, что быстрое спасение зависит от одного звена — гигантского волокна.

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.

Рефлекторные дуги

Целый рефлекторный путь из трёх частей: чувствительное звено (нейроны приближения, которые сообщают, что видят глаза), передаточное звено (гигантское волокно) и двигательные нейроны (нейроны прыжка). В отличие от коленного рефлекса, здесь путь проходит через головной мозг.

Как строение сети определяет поведение

Сигнал от сотен нейронов приближения сходится на гигантском волокне. Из-за этого узкого места поведение пропадает, если выключить всего один тип клеток.

Синапсы и нейромедиаторы

Гигантское волокно толстое, поэтому сигнал по нему идёт быстро. У настоящей мухи оно ещё и использует электрические синапсы — самые быстрые; в модели есть только химические синапсы.

1. 5 мин

   Вопрос для начала

   Спросите: «Почему муху так трудно прихлопнуть?» Соберите несколько идей, а потом скажите, что класс замерит время спасения мухи и найдёт провод, который за ним стоит.

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 отдыхает, когда на него обрушивается мухобойка, и отпрыгивает примерно за 30 миллисекунд. История подводит к вопросу: что в мозге способно работать так быстро?

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

   Какие части этого тела нужны мухе, чтобы спастись?

2. Мозг

   Сигнал начинается в глазах и заканчивается в ногах. Через что ему нужно пройти по пути?

3. Цепь

   Сотни голубых клеток и всего две красные линии, по одной с каждой стороны. Что вы замечаете в этом маршруте?

4. Нейрон

   Эта клетка необычно толстая. Почему толстый провод помогает быстро спастись?

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

   На муху стремительно летит мухобойка. Нажми «Стимулировать», чтобы запустить нейроны приближения (детекторы мухобойки).

   Первыми загораются голубые нейроны приближения, и почти сразу за ними — красное гигантское волокно.

2. Шаг 2

   Снова нажми «Стимулировать». Проследи, как гигантское волокно (провод спасения) уходит вниз, в брюшную нервную цепочку (как спинной мозг).

   Активность бежит вниз по гигантскому волокну в брюшную нервную цепочку, и жёлтые нейроны прыжка срабатывают меньше чем за 30 миллисекунд по времени мухи.

3. Шаг 3

   Теперь выключи гигантское волокно (провод спасения). Мухобойку мы запустим за тебя. Следи за нейронами прыжка (командирами ног).

   Голубой по-прежнему загорается, красный остаётся тёмным, а жёлтый так и не срабатывает. Муха увидела мухобойку, но сообщение не дошло до ног.

4. Шаг 4

   Снова нажми на кнопку гигантского волокна (провода спасения), чтобы включить его обратно. Мы запустим ту же мухобойку.

   Жёлтый снова срабатывает, как только гигантское волокно включено обратно.

Гигантское волокно (провод спасения) выключено. Почему командиры ног остались тёмными?

Верный вариант: Провод спасения передаёт командирам ног сигнал к прыжку.

Гигантское волокно несёт сигнал прыжка от нейронов приближения к нейронам прыжка. Когда оно выключено, муха по-прежнему видит мухобойку — голубые клетки загораются, — но сигнал обрывается, не дойдя до ног. У настоящих мух есть и более медленные способы спастись, о чём говорится в последнем шаге урока.

1. Это спасение быстрее, чем моргание. Какие особенности пути делают его таким быстрым?
2. Чем животному может быть полезно иметь один быстрый путь спасения и несколько более медленных?
3. Сравните этот путь с известным вам рефлексом человека, например когда отдёргиваешь руку от горячего. Что общего и чем они отличаются?

• Ученики могут думать: Муха решает прыгнуть.

  Как с этим работать: Самый быстрый прыжок работает как рефлекс: связи проводят сигнал напрямую. При более медленном бегстве остаётся немного времени, чтобы нацелить прыжок, но не чтобы всё обдумать.

• Ученики могут думать: Если муха не прыгнула, значит, она не увидела мухобойку.

  Как с этим работать: Шаг с выключением разделяет эти две вещи. Нейроны приближения срабатывают — значит, муха её увидела. Увидеть и действовать — разные этапы одного пути.

• Ученики могут думать: Один нейрон не может иметь значения для целого мозга.

  Как с этим работать: Здесь один тип клеток несёт весь быстрый сигнал. Там, где путь сужается до нескольких клеток, каждая из них очень важна.

Полный список, с числами

Нейроны приближения.

Нервные клетки за глазами мухи. Они срабатывают, когда что-то быстро растёт в поле зрения, например приближается мухобойка. Учёные называют их LC4 и LPLC2.

Гигантское волокно.

Очень толстая нервная клетка, которая тянется из мозга вниз, в брюшную нервную цепочку. По ней идёт самый быстрый сигнал спасения. У мухи их два — по одному с каждой стороны.

Брюшная нервная цепочка.

У мухи это как спинной мозг: пучок нервных клеток в груди, который управляет ногами и крыльями.

Нейроны прыжка.

Двигательные нейроны. Они заставляют сокращаться прыжковые мышцы средних ног, и муха подскакивает в воздух.

Рефлекторная дуга.

Путь рефлекса: от чувствительных нейронов через одну или несколько вставочных клеток к двигательным нейронам, которые приводят мышцу в движение.

Чувствительный нейрон.

Нейрон, который улавливает что-то из окружающего мира, например свет или запах, и сообщает об этом мозгу.

Двигательный нейрон.

Нейрон, который несёт команду к мышце и заставляет её сократиться.

Электрический синапс.

Прямой канал между двумя нейронами, который передаёт сигнал почти без задержки. В карте, на которой построены уроки, записаны только химические синапсы.

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