脑神经元网络电信号微电极采集与分析虚拟仿真实验

在2015年，中国科学家就对脑科学与类脑研究在中国“一体两翼”的部署达成了初步的共识。所谓“一体”，就是阐释人类认知的神经基础为主体和核心；“两翼”是指脑重大疾病的研究以及通过计算和系统模拟推进人工智能的研究。“十三五”规划纲要将“脑科学与类脑研究”列为“科技创新2030—重大项目”，也被称为中国“脑计划”

全民健康是国家发展的重大战略，其中脑部疾病的诊断与治疗技术是重点任务，基于脑机驱动的康复设备、无损脑部疾病的诊断、精准神经调制等方面的脑科学相关基础研究是目前重要热点。非侵入式脑机接口设备成为了各国研究机构的重点探索方向，以“脑科学”为核心、以“智能化”为主导的武器控制系统已成为军队战斗力的重要组成部分。脑科学和脑机精准驱动的人才培养成为和人民健康与国防军事密切相关的重要任务。

目前神经电生理基础实验教学存在的问题：学生只能采用脑电检测装置记录多个神经元复合动作电位，无法从细胞水平上认知神经元的基本电信号及其本质特征，无法动态观测神经元生长形态、电信号变化从而对神经网络的连接及模式有直观的认识。因此，迫切需要建立微观（细胞）与宏观（动物及人体）的理论知识与实验结果的联系，理解各种神经元的电活动及不同神经元之间如何动态地组合、编码、加工，最终形成复杂的神经网络从而在不同生理病理状态下的脑活动中表现出不同的电信号。目前的技术方法仅仅是完成的宏观脑电信号的特征分析，无法完成神经元放电基础知识的教学。

开展神经元网络与电生理信息动态采集实验，学习神经元的提取和培养方法，掌握神经元放电信号的采集技能及信号处理的基本方法，不仅是生物医学工程专业学生的必备知识，也是脑机接口相关交叉学科学生的基础要求。

本虚拟仿真实验课程包括神经元提取实验前准备、海马神经元提取与培养以及神经元电生理检测方案设计三个主要环节，针对每个实验环节教学目标如下：

环节一实现的教学目标：

（1）使学生能够复述脑科学研究前沿现状、原代神经元提取与培养原则、微电极阵列技术检测原理等，配合课堂讲授，加深学生对神经科学相关知识的积累。

（2）使学生能够罗列出本实验所需的仪器设备与试剂耗材，描述设备与试剂的基本功能与注意事项（细胞培养、生化实验、电生理信号记录等），使学生掌握仪器与试剂的使用与配置方法，减少学生实际实验中的误操作对仪器与试剂的损耗，以及对人身安全的潜在威胁。

（3）使学生能够排列出微电极阵列芯片预处理的正确步骤与作用（清洗组织、消毒杀菌、增加芯片表面生物相容性等），提高其逻辑思考与分析问题的能力。

环节二实现的教学目标：

（1）使学生能够描述胎鼠解剖提取的操作流程与注意事项，分析不同孕鼠孕龄、麻醉剂量对实验结果与安全的影响，提高其逻辑思考与分析问题的能力。

（2）使学生能够描述海马组织提取的操作流程与注意事项，分析不同血膜剥离程度、提取方向与路径等操作细节对实验结果的影响，提高其解决多因素复杂问题的能力。

（3）使学生能够描述细胞悬液制备的操作流程与注意事项，分析不同消化试剂、消化时长、吹打过程、静置时间等参数选择与操作对实验结果的影响，提高其解决多因素复杂问题的能力。

（4）使学生能够描述芯片种植与细胞培养的操作流程与注意事项，分析不同种植密度、换液间隔等参数设置对实验结果的影响，提高其运用所学专业知识进行综合设计的能力。

环节三实现的教学目标：

（1）使学生能够正确设置滤波器的相关参数并对微电极阵列芯片采集到的多通道电生理信号进行预处理，分析不同滤波器类型、阶数、频带范围等参数设置对信号处理结果的影响，提高其逻辑思考与分析问题的能力。

（2）使学生能够区分单通道锋电位检测的阈值范围，正确选择分类所需的主成分分量并实现锋电位波形的分类，分析不同阈值大小、主成分分量等参数设置对信号处理结果的影响，提高其逻辑思考与分析问题的能力。

（3）使学生能够正确计算双通道互相关分析的结果并判断神经元之间的连接状态，正确计算锋电位各项特征参数（发放率、幅值、正负峰间隔等）并改进实验方案，获得细胞最优生长状态与电生理信号，提高其运用所学专业知识进行综合设计的能力。

综上可知，本虚拟仿真实验课程针对在校学生实现理论课程与虚拟实验的相辅相成，建立从基础知识积累与强化、核心知识理解与实验验证、前沿知识探索与创新逐层递进式的实验教学模式。同时还可以为一线科研工作者以及实验技术人员提供系统性学习与技能培训的交互实验平台，进而提高其实际操作水平，推动科研技术人员的创新性研究。

（1）实验设计

①“循序渐进式”实验实施设计

本实验课程充分考虑学生认知特点，分为循序渐进的三个实验环节，实现细胞培养环境和仪器的认知、神经元放电信号的采集、分析和分类。同时，每一个实验环节同样遵循“循序渐进式”的设计思想。

②“交互体验式”模块化实验操作设计

本实验课程各个环节都有明确的操作提示、结果解释、错误分析等交互式模块，每个学生的学习场景都是不一样的。学生可以根据自己前期对知识点的掌握情况，选择相应模块进行反复、重点练习，提高学生对知识点的掌握。

③“科研反哺式”实验内容设计

本实验根据本科生的知识能力，将科研内容和数据进行细化和分解，使其能够在实验教学中实施、便于学生学习掌握。以真实的案例加深学生对于学习知识点的兴趣，并有效的促进学生动手能力的提升。

（2）教学方法

① 以兴趣为牵引的课程思政教学法

本实验以国家脑科学研究重大需求、南航脑机接口特色发展和人才培养三个维度出发，将实验、教学与思政融通，激发学生的兴趣和使命担当。实现相关基础知识的获取、实验技能的掌握，培养学生报国奋斗的思想和良好的科学素养。

②以学生为主体的容错探究式教学方法

本实验具有大量的容错实验路线，突出以学生为主体，以能力培养为核心。学生在不同的操作流程及参数设置下均可以进行仿真实验操作，并对应不同的实验结果，从而实现探究性的实验流程。

③ 以任务为主线的驱动式教学法

本实验内容可以分解为若干子环节，明确任务目标，以有效完成任务为考核目的的实验教学方法。本实验在教学上可以实现 “以任务为主线，以教师为主导，以学生为主体”。

（3）评价体系

“客观化”全程评价学生实验操作、“多元化”评价学生综合能力

本实验可以全程记录学生的实验操作过程和各个环节结果，从而可以根据核心环节的操作过程，动态评价学生对知识点的掌握情况。让教师从知识点掌握、试错过程、实验报告等方面对学生的学习能力进行全面评估。

(1）专业与年级要求

专业：生物医学工程，生命科学，医学，生物技术等

年级：1、2、3年级

本实验项目既适用于生物医学工程专业在校学生，也可以是生命科学、医学、电子信息相关专业的学生，或是从事生物医学工程、生命科学、医学等相关领域的技术人员。

（2）基本知识和能力要求

对于生物医学工程专业学生来说，要求具有《细胞生理学》《高等数学》《信号与系统》等相关课程的基本知识，具有一定的实验操作和数据分析能力。该实验着眼于提升学生对《生物物理学》课程知识点和基本理论的掌握程度，适当覆盖《生物物理学课程设计》、《生物医学信号处理》、《细胞生物学》、《生理解剖学》、《生物医学仪器》等课程，以“实验环节—实验子环节—实验步骤”逐级细化的结构来组织实验教学过程。每一个实验场景都对应一个独立的知识点，以“子环节”为单位组织体验式实验过程，实验过程与知识点相对应，实验教学内容贯穿于“步骤”之中。学生通过交互式操作和全方位多角度的深入观察，可有效建立对细胞培养环境和方法、神经网络体外生成条件、神经电信号特征等知识的全面认知和理解。