實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

神經(jīng)元是大腦中最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。在已知宇宙中，人類大腦是最復(fù)雜的物體之一，大腦中含有超過(guò)1000億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元擁有超過(guò)1000個(gè)突觸與其他神經(jīng)元形成連接。在這些神經(jīng)細(xì)胞之間，不管是運(yùn)動(dòng)的指令、或是關(guān)于顏色、形狀或疼痛刺激的信息，還是在大腦的不同區(qū)域間進(jìn)行相互聯(lián)系，都是通過(guò)電信號(hào)進(jìn)行傳遞。電信號(hào)本身具有普遍性，動(dòng)作電位是組成電信號(hào)的基本單元，在不同動(dòng)物之間具有高度的相似性。它是一種定型的單元，在所有已研究過(guò)的神經(jīng)系統(tǒng)中是信息交換的通用“錢幣”。電信號(hào)的傳遞又具有特殊性，大腦通過(guò)神經(jīng)元龐大的數(shù)量與其形態(tài)與連接的多樣性，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行反復(fù)的編碼與加工，從而賦予其不同的生理意義。本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)原理和知識(shí)點(diǎn)涉及：神經(jīng)元原代培養(yǎng)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)體外構(gòu)建、MEA檢測(cè)、鋒電位信號(hào)檢測(cè)與分類、鋒電位發(fā)放模式變化、特征值提取與統(tǒng)計(jì)分析等多個(gè)方面。

設(shè)計(jì)原則

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

①“循序漸進(jìn)式”實(shí)驗(yàn)實(shí)施設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)課程充分考慮學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，分為循序漸進(jìn)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境和儀器的認(rèn)知、神經(jīng)元放電信號(hào)的采集、分析和分類。同時(shí)，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)同樣遵循“循序漸進(jìn)式”的設(shè)計(jì)思想。

②“交互體驗(yàn)式”模塊化實(shí)驗(yàn)操作設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)課程各個(gè)環(huán)節(jié)都有明確的操作提示、結(jié)果解釋、錯(cuò)誤分析等交互式模塊，每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)場(chǎng)景都是不一樣的。學(xué)生可以根據(jù)自己前期對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，選擇相應(yīng)模塊進(jìn)行反復(fù)、重點(diǎn)練習(xí)，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。

③“科研反哺式”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)本科生的知識(shí)能力，將科研內(nèi)容和數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化和分解，使其能夠在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施、便于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握。以真實(shí)的案例加深學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)的興趣，并有效的促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力的提升。

（2）教學(xué)方法

① 以興趣為牽引的課程思政教學(xué)法

本實(shí)驗(yàn)以國(guó)家腦科學(xué)研究重大需求、南航腦機(jī)接口特色發(fā)展和人才培養(yǎng)三個(gè)維度出發(fā)，將實(shí)驗(yàn)、教學(xué)與思政融通，激發(fā)學(xué)生的興趣和使命擔(dān)當(dāng)。實(shí)現(xiàn)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的獲取、實(shí)驗(yàn)技能的掌握，培養(yǎng)學(xué)生報(bào)國(guó)奮斗的思想和良好的科學(xué)素養(yǎng)。

②以學(xué)生為主體的容錯(cuò)探究式教學(xué)方法

本實(shí)驗(yàn)具有大量的容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)路線，突出以學(xué)生為主體，以能力培養(yǎng)為核心。學(xué)生在不同的操作流程及參數(shù)設(shè)置下均可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)操作，并對(duì)應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)探究性的實(shí)驗(yàn)流程。

③ 以任務(wù)為主線的驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法

本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以分解為若干子環(huán)節(jié)，明確任務(wù)目標(biāo)，以有效完成任務(wù)為考核目的的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。本實(shí)驗(yàn)在教學(xué)上可以實(shí)現(xiàn) “以任務(wù)為主線，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體”。

（3）評(píng)價(jià)體系

“客觀化”全程評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、“多元化”評(píng)價(jià)學(xué)生綜合能力

本實(shí)驗(yàn)可以全程記錄學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程和各個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)果，從而可以根據(jù)核心環(huán)節(jié)的操作過(guò)程，動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。讓教師從知識(shí)點(diǎn)掌握、試錯(cuò)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方面對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力進(jìn)行全面評(píng)估。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/b>

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程包括神經(jīng)元提取實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備、海馬神經(jīng)元提取與培養(yǎng)以及神經(jīng)元電生理檢測(cè)方案設(shè)計(jì)三個(gè)主要環(huán)節(jié)，針對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)目標(biāo)如下：

環(huán)節(jié)一實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)：

（1）使學(xué)生能夠復(fù)述腦科學(xué)研究前沿現(xiàn)狀、原代神經(jīng)元提取與培養(yǎng)原則、微電極陣列技術(shù)檢測(cè)原理等，配合課堂講授，加深學(xué)生對(duì)神經(jīng)科學(xué)相關(guān)知識(shí)的積累。

（2）使學(xué)生能夠羅列出本實(shí)驗(yàn)所需的儀器設(shè)備與試劑耗材，描述設(shè)備與試劑的基本功能與注意事項(xiàng)（細(xì)胞培養(yǎng)、生化實(shí)驗(yàn)、電生理信號(hào)記錄等），使學(xué)生掌握儀器與試劑的使用與配置方法，減少學(xué)生實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的誤操作對(duì)儀器與試劑的損耗，以及對(duì)人身安全的潛在威脅。

（3）使學(xué)生能夠排列出微電極陣列芯片預(yù)處理的正確步驟與作用（清洗組織、消毒殺菌、增加芯片表面生物相容性等），提高其邏輯思考與分析問(wèn)題的能力。

環(huán)節(jié)二實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)：

（1）使學(xué)生能夠描述胎鼠解剖提取的操作流程與注意事項(xiàng)，分析不同孕鼠孕齡、麻醉劑量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與安全的影響，提高其邏輯思考與分析問(wèn)題的能力。

（2）使學(xué)生能夠描述海馬組織提取的操作流程與注意事項(xiàng)，分析不同血膜剝離程度、提取方向與路徑等操作細(xì)節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，提高其解決多因素復(fù)雜問(wèn)題的能力。

（3）使學(xué)生能夠描述細(xì)胞懸液制備的操作流程與注意事項(xiàng)，分析不同消化試劑、消化時(shí)長(zhǎng)、吹打過(guò)程、靜置時(shí)間等參數(shù)選擇與操作對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，提高其解決多因素復(fù)雜問(wèn)題的能力。

（4）使學(xué)生能夠描述芯片種植與細(xì)胞培養(yǎng)的操作流程與注意事項(xiàng)，分析不同種植密度、換液間隔等參數(shù)設(shè)置對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，提高其運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的能力。

環(huán)節(jié)三實(shí)現(xiàn)的教學(xué)目標(biāo)：

（1）使學(xué)生能夠正確設(shè)置濾波器的相關(guān)參數(shù)并對(duì)微電極陣列芯片采集到的多通道電生理信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，分析不同濾波器類型、階數(shù)、頻帶范圍等參數(shù)設(shè)置對(duì)信號(hào)處理結(jié)果的影響，提高其邏輯思考與分析問(wèn)題的能力。

（2）使學(xué)生能夠區(qū)分單通道鋒電位檢測(cè)的閾值范圍，正確選擇分類所需的主成分分量并實(shí)現(xiàn)鋒電位波形的分類，分析不同閾值大小、主成分分量等參數(shù)設(shè)置對(duì)信號(hào)處理結(jié)果的影響，提高其邏輯思考與分析問(wèn)題的能力。

（3）使學(xué)生能夠正確計(jì)算雙通道互相關(guān)分析的結(jié)果并判斷神經(jīng)元之間的連接狀態(tài)，正確計(jì)算鋒電位各項(xiàng)特征參數(shù)（發(fā)放率、幅值、正負(fù)峰間隔等）并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，獲得細(xì)胞最優(yōu)生長(zhǎng)狀態(tài)與電生理信號(hào)，提高其運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的能力。

綜上可知，本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程針對(duì)在校學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論課程與虛擬實(shí)驗(yàn)的相輔相成，建立從基礎(chǔ)知識(shí)積累與強(qiáng)化、核心知識(shí)理解與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、前沿知識(shí)探索與創(chuàng)新逐層遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。同時(shí)還可以為一線科研工作者以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員提供系統(tǒng)性學(xué)習(xí)與技能培訓(xùn)的交互實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)而提高其實(shí)際操作水平，推動(dòng)科研技術(shù)人員的創(chuàng)新性研究。

實(shí)驗(yàn)要求

(1）專業(yè)與年級(jí)要求

專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程，生命科學(xué)，醫(yī)學(xué)，生物技術(shù)等

年級(jí)：1、2、3年級(jí)

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目既適用于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)在校學(xué)生，也可以是生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、電子信息相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，或是從事生物醫(yī)學(xué)工程、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員。

（2）基本知識(shí)和能力要求

對(duì)于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，要求具有《細(xì)胞生理學(xué)》《高等數(shù)學(xué)》《信號(hào)與系統(tǒng)》等相關(guān)課程的基本知識(shí)，具有一定的實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析能力。該實(shí)驗(yàn)著眼于提升學(xué)生對(duì)《生物物理學(xué)》課程知識(shí)點(diǎn)和基本理論的掌握程度，適當(dāng)覆蓋《生物物理學(xué)課程設(shè)計(jì)》、《生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理》、《細(xì)胞生物學(xué)》、《生理解剖學(xué)》、《生物醫(yī)學(xué)儀器》等課程，以“實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)—實(shí)驗(yàn)子環(huán)節(jié)—實(shí)驗(yàn)步驟”逐級(jí)細(xì)化的結(jié)構(gòu)來(lái)組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程。每一個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景都對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)，以“子環(huán)節(jié)”為單位組織體驗(yàn)式實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)過(guò)程與知識(shí)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容貫穿于“步驟”之中。學(xué)生通過(guò)交互式操作和全方位多角度的深入觀察，可有效建立對(duì)細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境和方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體外生成條件、神經(jīng)電信號(hào)特征等知識(shí)的全面認(rèn)知和理解。