认知神经元通讯的基本电信号单元、动态观测神经元生长形态与神经网络的连接，有助于监测神经元集群和集群中各单元的活动，在介于微观与宏观的介观层面，理解各种神经元的活动如何动态地组合、编码、加工，是探索和揭示脑功能奥秘的必备知识，具有重要的科学价值与教学意义。因此，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，是所有医学类与医工结合相关专业学生必须掌握的重要理论与技能。然而，高校本科教学无法大规模地开展相关实验的实践操作与教学，其主要原因如下：

（1）实验条件苛刻，场地、设备与耗材成本高昂

原代神经元培养对实验场地环境要求高，需要配备细胞房、超净操作间、动物房、生化实验室等，还包括生化废弃液收集、大量动物尸体处理等后续环节。实验涉及神经电生理信号采集系统、超净台、细胞培养箱、显微镜等高端精密仪器设备，核心的微电极阵列芯片造价高昂，使用寿命有限且易损耗。由于本科生人数较多，参与本实验将需要大量的生化试剂、实验动物、微电极阵列芯片等，实验成本高。

（2）危险系数高，实验难以进行有效监督和防护

相关实验涉及大鼠的麻醉、解剖、处死等动物手术操作过程，大量学生会同时接触到活体老鼠、危险化学品、锋利外科工具等，生化安全要求严格，实际操作危险系数高，活体动物损耗大。同时，大规模的实际实验将产生大量有毒有害的废液和动物尸体，且实验过程很难一对一进行有效指导与监督，如处理不当，将对环境和社会群众造成重大影响。

（3）实验复杂且难度大，耗时长且成功率低

原代神经元培养实验操作步骤多达40步以上，其中涉及显微镜下提取细微组织、制备细胞悬液等精细操作，失败率高且实验过程不可逆，单步错误将影响整个实验结果。细胞培养周期需要达到14天以上，同时需要定时进行换液等操作，在实际实验中难以实施。培养过程中容易发生细胞污染等不可控因素，且只要有一人的细胞出现污染，将迅速传染至培养箱内所有细胞，所有人的实验均为失败，且后期需要对整个培养箱进行灭菌消毒，时间成本高昂。

本项目的设计原则为：为学生提供了多刺激参数下的细胞形态观察及电生理信号分析的探索实践平台，规避了传统实验教学操作过于标准程式化、实验结果单一的情况，大幅提升了学生创新设计的能力。充分激发了学生的学习热情和动手操作兴趣，使得参加实验人员印象深刻，能够强化虚拟实验项目的实验效果。实验中所构建的虚拟场景，反映真实的动物解剖实验、细胞培养实验、神经电生理实验的特点，有利于学生通过交互式操作和全方位观察加速理解神经电信号的特征、采集和分析方法。学生能够直观体会到动物实验中错误判断、误操作带来的严重后果，充分体现了交互体验式教学方法的优越性。本项目的实施，基于探究式教学方法，通过对实验方法、实验步骤和实验任务要求的设置，充分体现了对于学生在面向工程问题探索最优控制参数的工程实践能力和创新能力等方面的培养。具体体现在学生自主设计参数进行仿真实验，根据结果优化参数，其次系统自动进行个性化分配任务，每个人面临的任务都不相同，从而激发学生的探索精神和实践兴趣，启发并培养学生的创新意识和创新能力。

本虚拟仿真实验提取原代海马神经元培养在微电极阵列芯片上，从形态学与电生理两个层面观测神经元电信号与神经网络连接的形成。本教学虚拟仿真实验的目的如下：

①使学生了解脑科学的研究背景，理解神经元放电原理，理解神经网络的形成和细胞间的连接与通讯；

②使学生了解细胞房、超净间、动物房等实验环境，了解实验设备、器材工具、危化药品等，避免了可能出现的安全隐患；

③使学生掌握原代海马神经元的培养方法，掌握动物解剖、组织提取、细胞种植与培养等相关实验操作技能；

④使学生了解微电极阵列芯片技术，掌握离体神经网络电生理信号的采集方法，掌握电生理数据的基本分析方法；

⑤使学生了解神经元生长的形态变化，了解神经元网络的形成过程；

⑥使学生了解神经元电活动的基本信号单元，了解动作电位的特征参数，了解自发放电与诱发放电的现象，了解神经网络空间发放图谱。