Как муха запоминает запах

Ученики прослеживают путь запаха от рецепторов до клеток, которые читают память о нём, и показывают: если выключить один слой пути, всё, что идёт после него, оказывается отрезано.

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.

Синапсы и нейромедиаторы

Каждый слой передаёт сигнал следующему через синапсы. Учёные считают, что сама память — это изменение силы синапсов между клетками Кеньона и выходными нейронами.

Как строение сети определяет поведение

Путь — это цепочка слоёв, поэтому, если выключить клетки Кеньона, выходные нейроны гаснут, хотя запах по-прежнему попадает внутрь.

Возбуждение и торможение

«Стимулировать» возбуждает клетки, а «Выключить» не даёт им срабатывать — это два инструмента урока. В этой части сети каждый слой возбуждает следующий.

1. 5 мин

   Вопрос для начала

   Спросите: «Как ваш мозг узнаёт запах, который уже встречал раньше?» Выслушайте несколько догадок, а потом скажите, что сегодня класс будет искать ответ внутри мухи.

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 чует спелый персик, узнаёт запах, который в прошлый раз привёл его к еде, и летит на него против ветра. История подводит к вопросу: где в мозге хранится это воспоминание?

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

   Где на этом теле вы бы стали искать нос?

2. Мозг

   Мозг занимает большую часть головы. Как вы думаете, на что в нём уходит столько места?

3. Цепь

   Запах входит через оранжевые клетки. Как вы думаете, до какого цвета он доходит последним?

4. Нейрон

   Точка — это один импульс. Как одна клетка могла бы сообщить остальному мозгу о запахе?

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

   Муха чует запахи антеннами (двумя усиками). Нажми «Стимулировать», чтобы отправить запах. Смотри, как загораются оранжевые нейроны.

   Загораются только оранжевые обонятельные рецепторы. Сигнал начинается с одного края сети, а не везде сразу.

2. Шаг 2

   Снова нажми «Стимулировать» и следи за цветами. Жёлтые проекционные нейроны (почтальоны запахов) несут запах вглубь мозга. Следом его подхватывают голубые клетки Кеньона (сортировщики запахов).

   Цвета загораются по порядку: оранжевый, потом жёлтый, потом голубой. Сигнал проходит слои один за другим.

3. Шаг 3

   Нажми «Стимулировать» ещё раз. Теперь смотри на розовые выходные нейроны (читатели памяти). Они читают голубой узор.

   Розовые выходные нейроны загораются последними — и только после голубых клеток Кеньона.

4. Шаг 4

   Теперь выключи клетки Кеньона (сортировщики запахов). Запах мы отправим за тебя. Что пропадёт?

   Оранжевый и жёлтый по-прежнему загораются, голубой остаётся тёмным, а розовый почти пропадает. Запах попал внутрь, но дальше пройти не смог.

5. Шаг 5

   Снова нажми на кнопку клеток Кеньона (сортировщиков запахов), чтобы включить их обратно. Мы отправим тот же запах.

   Розовый возвращается, как только клетки Кеньона снова включены. Ничего не было повреждено: сигналу просто негде было пройти.

Клетки Кеньона (голубые клетки) выключены. Почему погасли розовые клетки?

Верный вариант: Голубые клетки передают розовым узор каждого запаха.

Клетки Кеньона передают узор каждого запаха выходным нейронам. Когда они выключены, запах по-прежнему доходит до рецепторов и проекционных нейронов, но выходным нейронам нечего читать. Тех, кто ответит «запах вообще не попал внутрь», попросите ещё раз посмотреть на оранжевые и жёлтые клетки.

1. Пока клетки Кеньона были выключены, запах всё равно попадал в мозг. Откуда мы это знаем?
2. Представьте, что муха выучила: этот запах означает сахар. В каком месте этой сети вы бы ожидали изменений?
3. Что вы ожидаете увидеть, если вместо этого выключить жёлтые проекционные нейроны? Проверьте в свободном режиме.

• Ученики могут думать: Воспоминание лежит внутри одной клетки, как файл.

  Как с этим работать: Вернитесь к шагу, где розовые клетки читают голубые. Считается, что память хранится в силе множества связей между двумя группами, а не в одной клетке.

• Ученики могут думать: Если клетку выключить, она погибает или повреждается.

  Как с этим работать: Повторите последний шаг: розовое свечение сразу возвращается. Выключенные клетки целы. Они просто не срабатывают.

• Ученики могут думать: Урок показывает, как муха запоминает запах.

  Как с этим работать: Нет, не показывает. Модель показывает, где хранилась бы память, но связи в ней никогда не меняются. Скажите об этом прямо и спросите, что пришлось бы добавить.

Полный список, с числами

Антенны.

Два усика на голове мухи. Ими муха чует запахи — так же, как ты чуешь носом.

Обонятельные рецепторы.

Нервные клетки на антеннах. Они срабатывают, когда на них попадает запах. С них начинается любой запах.

Антеннальная доля.

Первая остановка запахов в мозге мухи. Здесь обонятельные рецепторы передают сигнал проекционным нейронам.

Проекционные нейроны.

Нервные клетки, которые несут сигнал о запахе из антеннальной доли вглубь мозга, в грибовидное тело.

Грибовидное тело.

Часть мозга насекомого, похожая на гриб. Здесь запахи сортируются и хранятся воспоминания о них.

Клетки Кеньона.

Маленькие нервные клетки грибовидного тела. Каждый запах включает свою горстку таких клеток, поэтому у каждого запаха свой узор.

Выходные нейроны.

Нервные клетки, которые читают узор клеток Кеньона и передают его остальному мозгу. Учёные называют их MBON — выходные нейроны грибовидного тела.

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