Hvordan samarbeider nervecellene?
Hvordan forklare skoleelever hvordan nervesystemet vårt fungerer? En NTNU-forsker har laget et byggesett som skal gjøre det enklere å forstå.
– Det er uhyre mye vi ennå ikke vet om hjernen og nervesystemet – men det er også mye vi vet som må gjøres tilgjengelig for folk flest, sier Pål Kvello førsteamanuensis ved Institutt for lærerutdanning, NTNU.
Kvello mener dagens lærebøker ikke klarer å formidle forståelsen som elevene fortjener. Ideen om å lage et byggesett av nevroner, som enkelt viser hvordan nervesystemet virker, dukket opp mens han jobbet med doktorgraden i nevrobiologi. I sin nye jobb ved lærerutdanningen fikk Kvello god respons på ideen, og komponenter fra Kina ble bestilt.
Med hjelp av professor Lars Lundheim og studenter har resultatet blitt et byggesett med forenklede nevroner i gummi, med elektronikk inni.
Forenklede modeller skal illustrere ulike funksjoner i nervesystemet. Foto: Elin Iversen/NTNU
Pål Kvello leder nå et forskningsprosjekt som prøver ut hvordan slike byggesett kan gjøre undervisningen om nervesystemet mer forståelig.
Bygger nervesystem
Nevronene har utvekster som mottar signaler (dendritter) og en lang utløper som sender signaler (akson). Nevronene kobles til hverandre for å danne nettverk.
Ved å trykke på en knapp på et nevron lyser en grønn diode, og et signal sendes ut. Elevene kan se at signalet sprer seg i nettverket ved at grønne og hvite lys tennes på nevronene. Hvordan signalet spres avhenger av hvordan elevene har bygd nettverket.
Målet er å lage forenklede modeller som illustrerer ulike funksjoner vi kjenner i nervesystemet.
– Signalet aktiviseres i noen nevroner, men stopper i andre. I noen tilfeller begynner signalet å gå i loop. En loop bidrar til at en aktivitet; en tanke, følelse eller adferd, opprettholdes eller gjentas over tid, for eksempel gåing. På denne måten kan elevene se logikken i nettverket, forklarer Kvello.
I praksis får hver elevgruppe 10 nevroner hver. De grønne nervecellene aktiverer signalet, mens de røde stopper nervesignalet.
- Les også: Sånn holder du hjernen frisk
Mer enn reflekser
– Det klassiske eksemplet i lærebøkene er knerefleksen der legen banker på senen under kneskålen og får foten til å sprette i været. Signalet som utløses av hammerslaget går til ryggmargen som automatisk sender et signal tilbake som fører til reaksjonen.
Knerefleksen: Et lite hammerslag mot senen under kneskåla sender et signal til ryggmargen om at knestrekkeren skal aktiviseres. Samtidig stanses signalet som er på vei til knebøyeren. Resultatet er at knestrekkeren kontraherer og får foten til å sprette opp, mens knebøyeren slapper av og lar foten få sprette. Byggesettet til høyre er en modell for knerefleksen. Nevronet øverst til venstre oppfatter hammerslaget og sender et signal til ryggmargen som øyeblikkelig (det grønne nevronet midt på) sender et signal til knestrekkeren som får foten til å sprette opp. Signalet fra hammerslaget når også nettverket som styrer knebøyeren, men her møter signalet et hemmende nevron (i rødt) som stanser ordren om å kontrahere. Dermed forblir knebøyeren avslappet og foten får sprette.
– Dette eksemplet er et altfor enkelt. Nervesignalene, og hvordan de sprer seg i nettverk av nevroner, er avgjørende for alt vi sanser, opplever, føler, tenker, gjør, husker og lærer. Derfor må det forklares bedre, sier Kvello.
– Hvor avanserte prosesser kan byggesettet illustrere?
– Vi kan demonstrere mer enn rene reflekser. For eksempel kan vi vise hvordan hjernen bestemmer at en bil kommer fra høyre og ikke fra venstre, hvordan vi kan holde fokus med øynene også når vi beveger oss og hvordan vi retningsbestemmer lyder.
Bedre enn datasimulering
Byggesettet kan sikkert også bidra til å illustrere mer kompliserte kognitive prosesser, men ennå har vi for lite kunnskap om hvordan disse kan illustreres i et mikronettverk.
– Hvorfor mener du dette er bedre enn en datasimulering?
– Det å kunne ta på, klemme på, og koble sammen fysisk betyr mye. Vi tok utgangspunkt i biologiske nevroner fra hjernebarken hos rotter, fjernet en del unødvendige funksjoner, forenklet og gjorde noen pedagogiske tilpasninger.
Masterstudenter ved lærerutdanningen bistår i prosjektet. Fra venstre: Inge Eide Johnsen, Pål Kvello, Elias Lundheim, og Sven-Erik Markhus Kaiser. Foto: Elin Iversen/NTNU
Poenget er å vise prinsippene for hvordan nerveceller utfører hverdagslige funksjoner. Det vanlige er å lære at vi registrerer noe med sansene og det utløser et signal som så sendes til hjernen.
Så foregår et eller annet – før det kommer et signal tilbake fra hjernen som resulterer i en atferd. I en sånn forklaring er hjernen en svart boks, vi aner ikke hva som skjer der.
Byggesettet viser logikken i det som skjer, vi følger nervesignalet fra nevron til nevron i et nettverk, akkurat slik signaler prosesseres i hjernen, sier Kvello.
Førsteamanuensen mener det også er en styrke med variasjon i undervisningen, og at hjernebyggesettet kan være et nyttig verktøy i tillegg til de andre.
Lovende tegn
To masteroppgaver ved lærerutdanningen har studert hvordan bruken av byggesettet påvirker læringsutbyttet, motivasjonen og dialogen i elevgrupper i videregående skole.
– Ennå har vi litt tynt med data, men vi ser en klar økning i dialogen. Grupper som bruker byggesettene diskuterer mye mer seg imellom og er mer utforskende enn gruppene som ikke bruker dem.
– I tillegg til masteroppgavene har 45 lærerstudenter benyttet byggesettene i undervisning. Studentene rapporterer også om større motivasjon, læringsutbytte og forståelse, men dette har vi ennå ikke vitenskapelig belegg for, sier Pål Kvello.
Alle nivåer
Hjernebyggesettet er beregnet for bruk helt fra grunnskolen til universitetsnivå.
– Vi mener det er viktig at lærerstudentene får best mulig innsikt i nervesystemet slik at det kan formidles på et tidlig stadium hos elevene i naturfag og helsefagene, sier Pål Kvello.
Han anslår at en gruppe lærere vil trenge et par timers opplæring for å kunne bruke byggesettet effektivt.
Sansenevroner
Foreløpig er det elevene som setter i gang signalene ved å trykke på en knapp på nevronene, men prosjektet skal etter hvert utstyre byggesettene med sensoriske nevroner (kunstige) som oppfatter lys og bevegelse og sender signal til nettverket av nevroner. På den måten blir byggesettene mer virkelighetsnære.
Pål Kvello har doktorgrad i nevrobiologi og har jobbet spesielt med nervesystemet. Før han ble ansatt ved lærerutdanningen var han post. doc. ved Kavli-instituttet.
Referanser:
Pål Kvello og Niklas Gericke: Identifying knowledge important to teach about the nervous system in the context of secondary biology and science education–A Delphi study. Plos One https://doi.org/10.1371/journal.pone.0260752
Ingrid Heggland, Pål Kvello og Menn P. Witter: Electrophysiological characterization of networks and single cells in the hippocampal region of a transgenic rat model of Alzheimer’s disease. Eneuro, an open-access journal of Society for Neuroscience
DOI: https://doi.org/10.1523/ENEURO.0448-17.2019
