欧美人与动牲交另类

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      腦神經元網絡電信號微電極采集與分析虛擬仿真實驗

      腦神經元網絡電信號微電極采集與分析虛擬仿真實驗

      實驗簡介神經元是大腦中最基本的結構和功能單位。在已知宇宙中,人類大腦是最復雜的物體之一,大腦中含有超過1000億個神經元,每個神經元擁有超過1000個突觸與其他神經元形成連接。在這些神經細胞之間,不管是運動的指令、或是關于顏色、形狀或疼痛刺激的信息,還是在大腦的不同區域間進行相互聯系,都是通過電信號進行傳遞。電信號本身具有普遍性,動作電位是組成電信號的基本單元,在不同動物之間具有高度的相似性。它是一種定型的單元,在所有已研究過的神經系統中是信息交換的通用“

      南京航空航天大學

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      實驗簡介


      神經元是大腦中最基本的結構和功能單位。在已知宇宙中,人類大腦是最復雜的物體之一,大腦中含有超過1000億個神經元,每個神經元擁有超過1000個突觸與其他神經元形成連接。在這些神經細胞之間,不管是運動的指令、或是關于顏色、形狀或疼痛刺激的信息,還是在大腦的不同區域間進行相互聯系,都是通過電信號進行傳遞。電信號本身具有普遍性,動作電位是組成電信號的基本單元,在不同動物之間具有高度的相似性。它是一種定型的單元,在所有已研究過的神經系統中是信息交換的通用“錢幣”。電信號的傳遞又具有特殊性,大腦通過神經元龐大的數量與其形態與連接的多樣性,對電信號進行反復的編碼與加工,從而賦予其不同的生理意義。本項目的實驗原理和知識點涉及:神經元原代培養、神經元網絡體外構建、MEA檢測、鋒電位信號檢測與分類、鋒電位發放模式變化、特征值提取與統計分析等多個方面。



      設計原則


      (1)實驗設計

      ①“循序漸進式”實驗實施設計

      本實驗課程充分考慮學生認知特點,分為循序漸進的三個實驗環節,實現細胞培養環境和儀器的認知、神經元放電信號的采集、分析和分類。同時,每一個實驗環節同樣遵循“循序漸進式”的設計思想。

      ②“交互體驗式”模塊化實驗操作設計

      本實驗課程各個環節都有明確的操作提示、結果解釋、錯誤分析等交互式模塊,每個學生的學習場景都是不一樣的。學生可以根據自己前期對知識點的掌握情況,選擇相應模塊進行反復、重點練習,提高學生對知識點的掌握。

      ③“科研反哺式”實驗內容設計

      本實驗根據本科生的知識能力,將科研內容和數據進行細化和分解,使其能夠在實驗教學中實施、便于學生學習掌握。以真實的案例加深學生對于學習知識點的興趣,并有效的促進學生動手能力的提升。

      (2)教學方法

      ① 以興趣為牽引的課程思政教學法

      本實驗以國家腦科學研究重大需求、南航腦機接口特色發展和人才培養三個維度出發,將實驗、教學與思政融通,激發學生的興趣和使命擔當。實現相關基礎知識的獲取、實驗技能的掌握,培養學生報國奮斗的思想和良好的科學素養。

      ②以學生為主體的容錯探究式教學方法

      本實驗具有大量的容錯實驗路線,突出以學生為主體,以能力培養為核心。學生在不同的操作流程及參數設置下均可以進行仿真實驗操作,并對應不同的實驗結果,從而實現探究性的實驗流程。

      ③ 以任務為主線的驅動式教學法

      本實驗內容可以分解為若干子環節,明確任務目標,以有效完成任務為考核目的的實驗教學方法。本實驗在教學上可以實現 “以任務為主線,以教師為主導,以學生為主體”。

      (3)評價體系

      “客觀化”全程評價學生實驗操作、“多元化”評價學生綜合能力

      本實驗可以全程記錄學生的實驗操作過程和各個環節結果,從而可以根據核心環節的操作過程,動態評價學生對知識點的掌握情況。讓教師從知識點掌握、試錯過程、實驗報告等方面對學生的學習能力進行全面評估。



      實驗目的


      本虛擬仿真實驗課程包括神經元提取實驗前準備、海馬神經元提取與培養以及神經元電生理檢測方案設計三個主要環節,針對每個實驗環節教學目標如下:

      環節一實現的教學目標:

      (1)使學生能夠復述腦科學研究前沿現狀、原代神經元提取與培養原則、微電極陣列技術檢測原理等,配合課堂講授,加深學生對神經科學相關知識的積累。

      (2)使學生能夠羅列出本實驗所需的儀器設備與試劑耗材,描述設備與試劑的基本功能與注意事項(細胞培養、生化實驗、電生理信號記錄等),使學生掌握儀器與試劑的使用與配置方法,減少學生實際實驗中的誤操作對儀器與試劑的損耗,以及對人身安全的潛在威脅。

      (3)使學生能夠排列出微電極陣列芯片預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題的能力。

      環節二實現的教學目標:

      (1)使學生能夠描述胎鼠解剖提取的操作流程與注意事項,分析不同孕鼠孕齡、麻醉劑量對實驗結果與安全的影響,提高其邏輯思考與分析問題的能力。

      (2)使學生能夠描述海馬組織提取的操作流程與注意事項,分析不同血膜剝離程度、提取方向與路徑等操作細節對實驗結果的影響,提高其解決多因素復雜問題的能力。

      (3)使學生能夠描述細胞懸液制備的操作流程與注意事項,分析不同消化試劑、消化時長、吹打過程、靜置時間等參數選擇與操作對實驗結果的影響,提高其解決多因素復雜問題的能力。

      (4)使學生能夠描述芯片種植與細胞培養的操作流程與注意事項,分析不同種植密度、換液間隔等參數設置對實驗結果的影響,提高其運用所學專業知識進行綜合設計的能力。

      環節三實現的教學目標:

      (1)使學生能夠正確設置濾波器的相關參數并對微電極陣列芯片采集到的多通道電生理信號進行預處理,分析不同濾波器類型、階數、頻帶范圍等參數設置對信號處理結果的影響,提高其邏輯思考與分析問題的能力。

      (2)使學生能夠區分單通道鋒電位檢測的閾值范圍,正確選擇分類所需的主成分分量并實現鋒電位波形的分類,分析不同閾值大小、主成分分量等參數設置對信號處理結果的影響,提高其邏輯思考與分析問題的能力。

      (3)使學生能夠正確計算雙通道互相關分析的結果并判斷神經元之間的連接狀態,正確計算鋒電位各項特征參數(發放率、幅值、正負峰間隔等)并改進實驗方案,獲得細胞最優生長狀態與電生理信號,提高其運用所學專業知識進行綜合設計的能力。

      綜上可知,本虛擬仿真實驗課程針對在校學生實現理論課程與虛擬實驗的相輔相成,建立從基礎知識積累與強化、核心知識理解與實驗驗證、前沿知識探索與創新逐層遞進式的實驗教學模式。同時還可以為一線科研工作者以及實驗技術人員提供系統性學習與技能培訓的交互實驗平臺,進而提高其實際操作水平,推動科研技術人員的創新性研究。



      實驗要求


      (1)專業與年級要求

      專業:生物醫學工程,生命科學,醫學,生物技術等

      年級:1、2、3年級

      本實驗項目既適用于生物醫學工程專業在校學生,也可以是生命科學、醫學、電子信息相關專業的學生,或是從事生物醫學工程、生命科學、醫學等相關領域的技術人員。

      (2)基本知識和能力要求

      對于生物醫學工程專業學生來說,要求具有《細胞生理學》《高等數學》《信號與系統》等相關課程的基本知識,具有一定的實驗操作和數據分析能力。該實驗著眼于提升學生對《生物物理學》課程知識點和基本理論的掌握程度,適當覆蓋《生物物理學課程設計》、《生物醫學信號處理》、《細胞生物學》、《生理解剖學》、《生物醫學儀器》等課程,以“實驗環節—實驗子環節—實驗步驟”逐級細化的結構來組織實驗教學過程。每一個實驗場景都對應一個獨立的知識點,以“子環節”為單位組織體驗式實驗過程,實驗過程與知識點相對應,實驗教學內容貫穿于“步驟”之中。學生通過交互式操作和全方位多角度的深入觀察,可有效建立對細胞培養環境和方法、神經網絡體外生成條件、神經電信號特征等知識的全面認知和理解。


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