研究人员构建了旨在使我们的大脑活动更容易让学生理解的工具包

“关于大脑和神经系统，我们还有很多还不了解，但我们也知道很多需要让大多数人能够接触到的东西，”NTNU教师教育系副教授Pål Kvello说。

Kvello认为，今天的教科书在传达学生应得的理解方面做得不够。创建一个神经元构建套件的想法，以简单的方式显示神经系统如何以简单的方式工作，这是在他攻读神经生物学博士学位时提出的。他之前曾在2019年的PLOS ONE上发表了这项研究。Kvello在他的新教师教育职位上收到了对这一想法的良好回应，并从中国订购了组件。

在学生和Lars Lundheim教授的帮助下，结果是一个带有简化橡胶神经元的构建套件，其中包含内部电子设备。

Pål Kvello现在正在领导一个研究项目，测试这种建筑套件如何使神经系统的教学更容易理解。

建立神经系统

神经元具有称为树突的分支状延伸，用于接收信号，以及称为轴突的长投影，用于发送信号。神经元相互连接形成网络。

按下模型神经元上的按钮，绿色二极管亮起，并发出信号。学生可以看到信号是如何通过点亮神经元的绿光和白光在网络中传播的。信号如何传播取决于学生如何构建网络。

目的是创建简化的模型来说明神经系统中的各种功能。

“信号在一些神经元中被激活，但在其他神经元中停止。在某些情况下，信号开始循环。循环有助于维持或重复一项活动——比如走路——无论是思想、感觉还是行为。可见信号使学生能够看到网络中的逻辑，“Kvello说。

每组学生接受10个模型神经元进行练习。绿色神经细胞激活信号，而红色神经细胞停止神经信号。

不仅仅是反射

“经典的教科书例子是膝跳反射，医生轻拍膝盖骨下的肌腱，导致脚突然踢出。由尖锐的敲击触发的信号被发送到脊髓，脊髓自动发回导致反应的信号，“Kvello说。

“这个例子太简单了。神经信号，以及它们如何在神经元网络中传播，对于我们感知、体验、感觉、思考、做、记住和学习的一切至关重要。所以我们必须能够更好地解释它，“他说。

“我们可以用套件展示的不仅仅是纯粹的反应。例如，我们可以展示大脑如何确定汽车是从右边而不是从左边来的，即使在我们移动时，我们如何保持眼睛的专注，以及我们如何确定声音来自的方向。

下意识反射：对膝盖骨下方的肌腱进行小锤击，向脊髓发出信号，表明应激活腘绳肌屈肌伸肌。同时，正在前往腘绳肌屈肌的信号停止。结果是股四头肌伸肌收缩并导致脚向上踢，而腘绳肌屈肌放松并允许脚踢。右边的拼搭套件是膝盖反射的模型。左上角的神经元感知到锤子敲击并向脊髓发送信号，脊髓立即(中间的绿色神经元)向股四头肌伸肌发送信号，导致脚猛地向上抽搐。来自锤击的信号也到达控制腘绳肌屈肌的网络，但在这里，信号遇到一个抑制神经元(红色)，停止收缩的命令。通过这种方式，腘绳肌屈肌保持放松，允许脚踢。学分：挪威科技大学

优于计算机模拟

构建工具包当然也可以帮助说明更复杂的认知过程，但我们仍然对如何在微网络中说明它们知之甚少。

Kvello认为，大脑构建套件改进了计算机模拟。

“能够物理接触、操纵和连接零件是关键。我们从大鼠大脑皮层的生物神经元开始，删除了许多不必要的功能，简化了它们并进行了一些教育适应，“他说。

重点是展示神经细胞如何执行日常功能的原理。通常我们了解到，我们用感官记录了一些东西，然后触发了一个信号，然后发送到大脑。

然后发生了一些事情或其他事情——在信号从大脑传回来导致行为之前。这样解释，大脑仍然是一个黑匣子，我们不知道那里到底发生了什么。

构建工具包显示了所发生情况的逻辑。我们可以在模型网络中跟踪神经元之间的神经信号，就像信号在大脑中处理一样，Kvello说。

这位副教授认为，改变我们教授主题的方式也是一种优势，除了其他工具之外，大脑构建工具包还可以成为有用的工具。

有希望的迹象

教师教育课程的两篇硕士论文研究了建筑套件的使用如何影响高中学生的学习成果、动机和对话。

“我们的数据仍然有限，但我们看到学生对话明显增加。使用建筑套件的小组之间讨论得更多，并且比不使用它们的小组更具探索性。

“除了硕士论文外，还有45名学生教师在教学中使用了建筑套件。学生们还报告了更大的动机，学习成果和理解力，但我们还没有科学证据证明这一点，“Kvello说。

与所有级别相关

大脑构建套件旨在从小学到大学阶段使用。

“我们认为，对于学生教师来说，获得对神经系统的最佳洞察力非常重要，这样他们才能尽早将信息传达给自然科学和健康科目的学生，”Kvello说。

他估计，一组教师需要几个小时的培训才能有效地使用拼搭套件。

感觉神经元

目前，学生们通过按下神经元模型上的按钮来启动信号，但该项目最终将为建筑套件配备人工感觉神经元，这些神经元可以感知光和运动，并向神经元网络发送信号。这样，建筑套件将变得更加逼真。

Pål Kvello拥有神经生物学博士学位，并将工作重点放在神经系统上。在目前从事教师培训计划之前，他是Kavli研究所的博士后研究员。

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