电生理技术在癫痫诊断治疗中的虚拟仿真实验设计与应用

电生理技术在癫痫诊断治疗中的虚拟仿真实验设计与应用

陆永利1,2，杨红卫1,2Δ

1三峡大学国家中医药管理局中药药理科研三级实验室； 2三峡大学基础医学院机能学系；Δ通讯作者

摘要：癫痫是临床常见的慢性神经系统疾病，其发生机制和抗癫痫药物作用原理是医学教学和科研工作的重点和难点。“电生理技术在癫痫诊断治疗中的虚拟仿真实验”采用“以问题为先导、虚实结合为手段、基础医学知识与临床科研教学的结合为目标”的设计方案，通过科学整合癫痫动物模型建立、脑电图记录和膜片钳记录三项实验，加强医学生对神经细胞电生理特性的理解，掌握膜离子通道功能改变与疾病关系，揭示癫痫发病机制及抗癫痫药物作用原理等。有助于培养能够适应人工智能新技术革命和运用交叉学科知识解决未来医学领域前沿问题的高层次创新人才。

关键词：虚拟仿真实验；癫痫；电生理技术

中图分类号：G434，G642    文献标识码：A    文章编号：

虚拟仿真技术是高等教育教学领域的应用类新技术[1,2]；虚拟仿真实验教学是利用虚拟仿真技术结合实验课程而形成的具有沉浸感强和交互性好等特点的一种全新的教学方式，它将推动高等教育教学模式的深度变革[2,3]。2019年10月，教育部发布《关于一流本科课程建设的实施意见》提出，经过三年左右时间建成万门左右国家级和万门左右省级一流本科课程；其中在高校培育建设基础上完成1500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程。

机能学实验教学是生理学、病理生理学和药理学实验教学必不可少的组成部分；积极探讨先进的实验教学方法和新模式，并呈现教学形式的先进性和互动性，是提高实验教学质量的有效途径。本文以“电生理技术在癫痫诊断治疗中的虚拟仿真实验”为例，阐述在机能学实验教学中积极引入虚拟仿真实验，可解决传统实验教学的困难与不足，达到培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维的目的。

（1）本虚拟仿真实验的必要性及实用性

1）必要性

本虚拟仿真实验的重点内容“癫痫的发生机制和抗癫痫药物作用原理”是生理学、药理学等医学教学和科研工作的重点和难点；其核心知识涉及细胞膜离子通道的电生理特性。但因其微观属性，在常规教学实验中不能直观观察，需要借助细胞或者脑片膜片钳实验系统进行研究；而观察和测定离子通道及其功能的仪器设备昂贵，很难在本科常规实验教学中进行配置。该虚拟仿真实验的开发能够使学生直观观察离子通道电流的改变，强化对电生理基础知识的理解，从而加深对癫痫相关知识的理解，为后续临床课程的学习奠定基础。因此，该项目能有效解决因实验仪器特殊造成的实验实施困难。

膜片钳实验是观察离子通道功能的金标准，不仅仪器设备昂贵，其操作也有难度；即使研究生也需要较长时间（数月以上）的培训才能上机操作，所以无法在本科生中常规开展。另外，本虚拟仿真实验中的脑电图记录，也是癫痫诊断的重要辅助手段和治疗效果监测手段，其中动物脑电图记录需要利用脑立体定位仪进行操作；该操作也有一定难度，需要一定时间训练；因为教学学时限制同样无法在本科生中常规开展。本实验通过虚拟仿真模拟上述实验过程，也能让学生掌握其基本操作程序和原理，为以后的深入学习奠定基础。因此，本虚拟仿真实验能解决本科生在实验中因为各种原因无法培训相关技术带来的操作困难问题。

2）实用性

本实验系统构建的虚拟仿真实验过程和环境，全方位实现了对癫痫及抗癫痫药物治疗机制重要知识点的实验探究，将微观且难于理解抽象知识直观展现，动态模拟癫痫动物皮层细胞膜上电压门控钠离子通道、钙离子通道电流和GABA电流的改变，以及抗癫痫药苯妥英钠对上述离子通道作用；同时在关键知识点设定考核内容，实行人机互动，辅助学生理解抽象的知识点内容。通过将离子通道和脑电图变化与疾病的临床表现相联系，也为未来的临床实践和科学研究工作奠定坚实基础。

依托虚拟仿真实验教学项目，也拓展了医学生的科研思维。通过建立癫痫模型、记录动物脑电图和离子通道电流等虚拟仿真操作，学生不仅学到实验技术，更重要的是收获了医学实验科研思维方法，有利于培养学生科研能力，提高学生解决问题的能力。

（2）教学设计的合理性

1）本实验通过癫痫动物模型的建立，动物脑电图的记录，膜片钳记录离子通道电流，分别从整体水平、器官水平、细胞水平对癫痫发病机制及抗癫痫药物作用机制进行研究，逐步递进，让学生在特定情景中分别观察癫痫发生时的宏观临床表现、脑电图变化及微观细胞变化，深入理解癫痫发病的分子机制，具有鲜明的示教性和启发性，能有效激发学生学习兴趣和成效。

2）虚拟实验含有相对独立并有机联系的四个实验模块，包括癫痫模型、脑电图监测癫痫及治疗、膜片钳检测药物对离子通道的影响及拓展和自主设计实验。模块的相对独立给教学带来很大的灵活性和便利性，学生可根据需要自由选择其中一个或者几个模块进行学习。此外，本虚拟实验预设的“拓展和自主设计实验”模块，允许学生在线设计新的癫痫模型和与之相对应的药物治疗，或自主设计与离子通道改变相关疾病和治疗模型，培养创新理念和能力。

（3）实验系统的先进性

1）由于人类疾病的复杂性，如果仅以人本身作为实验对象来探讨疾病发生机制和治疗方法，临床积累的经验不仅在时间和空间上存在局限性，许多实验在道义和方法上也受到限制。借助于动物模型的间接研究，可以有意识地改变那些在自然条件下不可能或不易排除的因素，更准确地观察模型的实验结果并与人类疾病进行比较研究，有助于更方便、更有效地认识人类疾病的发生发展规律，研究防治措施。

2）本实验采用3D建模、人机交互等技术构建不同的癫痫模型和抗癫痫药物治疗方案、自主设计离子通道相关疾病等虚拟仿真实验模块，打破了机能学实验时间、空间和实验条件的限制，以解决现实中高素质强能力医学人才培养的瓶颈。

（4）本虚拟仿真实验的特色

1）评价体系创新

本虚拟仿真实验采用可持续改进的实验评价体系，从理论知识的掌握，实际动手能力和创新思维三个方面进行综合考核，通过多个环节设定人机互动知识点的全过程考核，对实验涉及理论和操作的关键知识点通过选择题、简答题和图形题等多种形式进行测试，全方位督促学生掌握相关实验内容。

2）对传统教学的延伸与拓展

本虚拟仿真实验以整体动物大脑和皮层细胞为研究对象，直观展示离子通道变化与脑电图变化，使实验设备成本高、操作复杂，难于在本科生中开展的电生理实验能模拟开展，有助于学生理解教学难点、从机制上掌握有关癫痫的发病机制和药物治疗，为后期相关临床知识的学习打好基础。系统预设的空白实验模块进行自主设计，培养学生创新意识与技能。

（5）小结

在实验教学中引入虚拟仿真实验可解决传统实验教学的困难与不足，达到培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维的目的，有助于培养能够适应以人工智能为代表的新一代技术革命和能够运用交叉学科知识解决未来医学领域前沿问题的高层次医学创新人才。

参考文献

［1］李帆，王渊，孙晓明，等．虚拟现实技术在基础医学实验教学中的应用研究［J］．中国高等医学教育, 2019, (11): 10-11．

［2］高志强，王晓敏，闫晋文，等.我国虚拟仿真实验教学项目建设的现状与挑战［J］.实验技术与管理, 2020, 37(7)：：5-9, 14．

［3］吴遵秋，孙见飞，钟曦，等. 基于思维训练的基础医学虚拟仿真实验建设与应用［J］. 基础医学教育，2021, 23(10)：736-739．

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