Загальна інформація
Застосування
Типова схема досліду
Найважливіша структурна та функціональна одиниця нервової системи - нервова клітина. Вона насамперед задіяна в процесі передавання та приймання інформації від мозку й до мозку.
Істотна основа роботи нашого мозку - це спілкування між нервовими клітинами. Клітини передають свої сигнали іншим клітинам. Чуттєві враження опрацьовуються, і виникають думки. Передавання сигналу відбувається через так звані синапси.
Інша інформація (1/3)
Попередні знання
Дослід "Нервова клітина" (P4010769) слід виконати заздалегідь.
Принцип
Двома датчиками напруги вимірюють силу подразників, що діють на нервові клітини, а також мембранний потенціал (EPSP), який виникає внаслідок різних варіантів з'єднання між двома нервовими клітинами.
Інша інформація (2/3)
Навчальна мета
Учні та студенти на прикладі важливих засадничих схем з'єднання нервових клітин дізнаються, як відбуваються взаємодії нервових клітин.
Завдання
За допомогою моделі функціонування нервової системи з двома нервовими клітинами можна дослідити такі аспекти взаємодії двох нервових клітин:
- Гальмування Реншоу
- Латеральне гальмування
- Нейронні принципи класичного зумовлювання
Інша інформація (3/3)
Блок керування містить живлення для щонайбільше чотирьох нейронних блоків, три поворотні перемикачі зі змінною інтенсивністю подразнення та оптичний сенсор (його використовують, наприклад, у досліді із зумовлюванням). Для живлення блоків нервових клітин 9-вольтові входи та виходи з'єднують ланцюжком між собою. За використання понад чотирьох нервових клітин потрібен додатковий блок керування.
Докладніше про складання апаратної частини ви знайдете в досліді P4010769 ("Нервова клітина з Cobra SMARTsense").
Три досліди подано окремо в наступних розділах Теорія, Підготовка та виконання роботи та Оцінка, причому порядок виконання дослідів може бути довільним:
- Гальмування Реншоу
- Латеральне гальмування
- Класичне зумовлювання
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Набір «Нейробіологія» з однією нервовою клітиною, Cobra SMARTsense | 65963-22 | 1 |
| 2 | Нейросимулятор | 65963-00 | 1 |
Теорія 1
Гальмування Реншоу
Клітина Реншоу, особливий нейрон, захищає мотонейроні м'язове волокно, яке приводиться в дію мотонейроном, від надмірного збудження. Її схема з'єднання спричиняє негативний зворотний зв'язок збуджувальної стимуляції рухового нейрона.
Цю схему можна реалізувати двома модулями нейросимулятора, де один зображує мотонейрон, а другий - клітину Реншоу. Подразник для мотонейрона підсилюється просторовою сумацією.
Клітина Реншоу трапляється також у спинному мозку хребетних.
Складання та виконання 1
Складання 1.1.1
Підготовка 1.1.1
1. Сигнали мотонейрона без зворотного гальмування клітиною Реншоу і з ним
З'єднати між собою блок керування та обидві нервові клітини, як показано на рисунку. Кінець проводу, що біля червоної стрілки, поки не встромляти (це роблять під час вимірювання).
Складання 1.1.2
Підготовка 1.1.2
- Нейросимулятор 1: Поріг спрацьовування регулятора: 0%
- Нейросимулятор 2: Поріг спрацьовування регулятора: 0%
- Блок керування: Регулятор інтенсивності стимуляції: 100%
Виконання 1.1
- Почати вимірювання і натискати кнопку стимуляції 1 приблизно 3-5 секунд. Зачекати, поки напруга EPSP досягне початкового значення.
- Вільний кабель встромити в чорне гніздо (див. мал. праворуч).
- Натискати кнопку стимуляції 1 приблизно 3-5 секунд.
- Завершити вимірювання, щойно напруга досягне початкового значення.
- Зберегти й опрацювати результати.
Складання 1.2
Підготовка 1.2
2. Функціональні ознаки гальмування Реншоу
Дослід складають так само, як і раніше. Цього разу всі проводи встромлено.
- Нейросимулятор 1: Поріг спрацьовування регулятора: 50%
- Нейросимулятор 2: Поріг спрацьовування регулятора: 0%
- Блок керування: Регулятор інтенсивності стимуляції: 0%
Виконання 1.2
- Почати вимірювання.
- Натиснути кнопку стимуляції 1 і тримати натиснутою.
- Кнопку стимуляції тримати натиснутою неперервно і через 2 секунди східчасто підвищувати подразник кожні 2 секунди. Після останнього кроку тримати кнопку натиснутою ще 2 секунди.
- Завершити вимірювання, щойно напруга досягне початкового значення.
- Зберегти й опрацювати результат.
Опрацювання результатів 1
Результат 1.1
1. Сигнали мотонейрона без зворотного гальмування клітиною Реншоу і з ним
Ліворуч: сигнали мотонейрона без рекурентного гальмування клітиною Реншоу.
Праворуч: сигнали мотонейрона з рекурентним гальмуванням клітиною Реншоу.
Результат 1.2
2. Функціональні ознаки гальмування Реншоу
Ступені 1 - 3: гальмування немає за низьких інтенсивностей подразнення
Ступені 4 - 5: виразне гальмування Реншоу за вищих сил подразнення
Теорія 2
Латеральне гальмування
Латеральне гальмування - корисна функція нервової системи в мозку та органах чуття. Воно слугує для того, щоб підсилювати відмінності в стимуляції сусідніх елементів і так підвищувати роздільну здатність. Воно спричиняє, наприклад, поліпшення контрасту між сусідніми ділянками у зоровій системі.
Можна виконати такі досліди:
1. Латеральне гальмування
2. Підсилення контрасту
Складання та виконання 2
Складання 2.1.1
Підготовка 2.1.1
1. Латеральне гальмування
- Дослід складають так, як показано на рисунку ліворуч.
- Залиште два кабелі невстромленими (червоні стрілки).
Складання 2.1.2
Підготовка 2.1.2
Нейросимулятор 1: Поріг спрацьовування регулятора: 0%
Нейросимулятор 2: Поріг спрацьовування регулятора: 0%
Блок керування: Регулятор інтенсивності стимуляції 1: 100%
Блок керування: Регулятор інтенсивності стимуляції 2: 100%
Виконання 2.1.1
Щоб на обох вимірювальних каналах отримати порівнянні результати, обидва датчики напруги треба відкалібрувати:
- Розімкнути коло до обох датчиків напруги.
- Перемкнути показ для калібрування з графічного на цифровий.
- У конфігурації активувати "Обнулити".
- Перемкнутися назад на графічний показ.
Виконання 2.1.2
- Почати вимірювання.
- Натискати кнопки стимуляції 1 і 2 приблизно 3 секунди. Зачекайте, поки напруга досягне початкового значення.
- Вільні кабелі встромити в чорні гнізда (див. мал.).
- Знову натискати кнопки стимуляції 1 і 2 прибл. 3 секунди. Зачекайте, поки напруга досягне початкового значення.
- Завершити вимірювання, щойно напруга досягне початкового значення.
- Зберегти й опрацювати результат.
Після встромляння проводів потенціали дії обох нервових клітин можуть проводитися до гальмівного синапса іншої нервової клітини.
Складання 2.2
Підготовка 2.2
2. Підсилення контрасту
Один із двох подразників зменшують і вимірювання повторюють. В іншому дослід складають так само, як у кроці 1 латерального гальмування.
- Нейросимулятор 1 і нейросимулятор 2: Поріг спрацьовування регулятора: по 0%
- Блок керування: Регулятор інтенсивності стимуляції 1: 100%
- Блок керування: Регулятор інтенсивності стимуляції 2: 66%
Виконання 2.2
Повторити кроки вимірювання з частини 1 латерального гальмування:
- Почати вимірювання.
- Натискати кнопки стимуляції 1 і 2 приблизно 3 секунди. Зачекайте, поки напруга досягне початкового значення.
- Вільні кабелі встромити в чорні гнізда (див. мал.).
- Знову натискати кнопки стимуляції 1 і 2 прибл. 3 секунди. Зачекайте, поки напруга досягне початкового значення.
- Завершити вимірювання, щойно напруга досягне початкового значення.
- Зберегти й опрацювати результат.
Опрацювання результатів 2
Результат 2.1
1. Латеральне гальмування
На рисунку показано деполяризацію без латерального гальмування (ліворуч) і з латеральним гальмуванням (праворуч). Перед другим вимірюванням обидва проводи було під'єднано.
Результат 2.2
2. Підсилення контрасту
Діаграма показує, що деполяризація обох нервових клітин залежить від інтенсивності сигналу (ліворуч). За латерального гальмування відмінність більша (праворуч).
Теорія 3
Нейронні засади класичного зумовлювання
Дослід Павлова із собаками - безсумнівно, найвідоміший приклад класичного зумовлювання. Звук дзвінка асоціюється із запахом їжі, і у відповідь на це виділяється слина. Сприйняття запаху їжі й спричинене цим виділення слини називають (вродженим) безумовним рефлексом. Реакцію на звук дзвінка, пов'язану через навчання з безумовним рефлексом, називають умовним рефлексом. У всіх дослідах із класичного зумовлювання конче потрібно, щоб подразник для умовного рефлексу передував у часі подразникові для безумовного рефлексу. Якщо цю часову послідовність змінити на протилежну, зумовлювання неможливе. У першому досліді показано дослід із правильною часовою послідовністю зумовлювання. У другому досліді показано, що правильна послідовність необхідна для виникнення умовного рефлексу.
Складання та виконання 3
Складання 3.1.1
Підготовка 3.1.1
ПРИМІТКА: за слабкого освітлення сенсор дає постійний сигнал. У цьому разі сенсор слід освітити кишеньковим ліхтариком.
1. Умовний рефлекс
Скласти дослід, як показано.
Складання 3.1.2
Підготовка 3.1.2
- Нейросимулятор 1 і нейросимулятор 2: Поріг спрацьовування регулятора: по 0%
- Блок керування: Регулятор інтенсивності стимуляції 1: 100%
- ПРИМІТКИ: між кожним натисканням кнопки, накриванням фотосенсора чи одночасною дією на обидва елементи напруга має досягти початкового значення (прибл. -7 В). Крім того: можливо, що крізь пальці проходить забагато світла. Тому в цьому разі для накривання фотосенсора використовуйте предмет, який не пропускає світла.
Виконання 3.1.1
- Натиснути кнопку Reset на нейросимуляторі 2 (щоб повернути синапс Гебба до стандартних значень).
- Почати вимірювання.
- Тричі накрити фотосенсор на одну секунду. (Активація синапса Гебба).
- Тричі натиснути кнопку стимуляції 1 прибл. на одну секунду (активація збуджувального синапса).
- Коротко накрити фотосенсор (на 1/2 с) і одразу після цього коротко натиснути кнопку стимуляції 1 (на 1/2 с).
- Зачекати, поки напруга досягне початкового значення. Цю дію повторити двадцять разів (послідовна активація синапса Гебба та збуджувального синапса).
- Тричі накрити фотосенсор приблизно на одну секунду (активація синапса Гебба).
Виконання 3.1.2
- Натиснути кнопку Reset на нейросимуляторі 2, щоб розучити умовний рефлекс.
- Тричі накрити фотосенсор приблизно на одну секунду (активація синапса Гебба).
- Завершити вимірювання, щойно напруга досягне початкового значення.
- Зберегти й опрацювати результати.
Виконання 3.2.1
2. Обернена послідовність подразників
Повторити попередній дослід про умовний рефлекс, але цього разу спершу натиснути кнопку стимуляції, а вже потім накрити фотосенсор.
ПРИМІТКА: між кожним натисканням кнопки, накриванням фотосенсора чи одночасною дією на обидва елементи напруга має досягти початкового значення (прибл. -7 В).
Почати вимірювання і виконати майже ті самі дії, що й раніше:
- Тричі накрити фотосенсор приблизно на одну секунду (активація синапса Гебба).
- Тричі натиснути кнопку стимуляції 1 приблизно на одну секунду (активація синапса збудження).
- Спершу коротко натиснути кнопку стимуляції (на 1/2 с) і одразу після цього коротко накрити фотосенсор. Зачекати, поки напруга досягне початкового значення. Цю дію повторити двадцять разів (послідовна активація збуджувального синапса та синапса Гебба).
Виконання 3.2.2
- Тричі накрити фотосенсор приблизно на одну секунду (активація синапса Гебба).
- Натиснути кнопку Reset на нейросимуляторі.
- Тричі накрити світловий сенсор приблизно на одну секунду (активація синапса Гебба).
- Завершити вимірювання, щойно напруга досягне початкового значення.
- Зберегти й опрацювати результати.
Опрацювання результатів 3
Результат 3.1.1
1. Умовний рефлекс
Два нейросимулятори моделюють пару з інтернейрона та асоціативного нейрона.
У досліді асоціативний нейрон зумовлюють так, щоб він підвищував свій мембранний потенціал (деполяризація) без участі інтернейрона.
Результат 3.1.2
Пояснення:
1. Активація синапса Гебба перед зумовлюванням. Нейтральний стимул (дзвінок) не викликає жодної специфічної реакції.
2. Активація збуджувального синапса перед зумовлюванням. Безумовний подразник (їжа) викликає безумовну реакцію (виділення слини = невивчена рефлекторна реакція).
3. Послідовна активація синапса Гебба та збуджувального синапса під час зумовлювання (спершу синапс Гебба). Нейтральний стимул (дзвінок) поєднують із безумовним стимулом (їжа). Безумовний подразник (їжа) викликає безумовну реакцію (виділення слини). Нейтральний подразник (дзвінок) стає умовним подразником.
Результат 3.1.3
4. Активація синапса Гебба після навчання / після зумовлювання (умовний рефлекс). Умовний стимул (дзвінок) викликає умовну реакцію (виділення слини). Умовна реакція подібна до безумовної реакції.
5. Активація синапса Гебба після розучування умовного рефлексу (кнопка Reset).
ПРИМІТКА: за слабкого освітлення результат може виглядати інакше, ніж показано на рисунку, бо синапс Гебба тоді хибно весь час активний. Ця умова призводить до неперервного збудження мембранного потенціалу. У цьому разі виконуйте дослід із використанням кишенькового ліхтарика.
Результат 3.2
2. Обернена послідовність подразників
Обернена послідовність подразників не призводить до умовного рефлексу. У цьому разі активації синапса Гебба не настає. Натомість EPSP на кроці 4 вимірювання перебуває на тому самому рівні, що й на кроці 5 після скидання.