Brain Bee脑科学活动获奖者分享:从斑马鱼到人类大脑

通过最先进的SLiM1000扫描光场显微系统,观察斑马鱼的全脑神经元活动——这一幕不是出现在大学的实验室,而是出现在北京一零一中的课堂上! 说起北京一零一中,这所由郭沫若题写校名的学校以“百尺竿头,更进一步”为校训,在过去的半个多世纪里都一直走在教育教学创新的前沿。

随着脑科学和人工智能的兴起,越来越多的学生对大脑功能、认知科学、类脑研究和应用感兴趣。 为此北京一零一中在英才学院、国际部、学生社团系统性开展脑科学课程和活动。 北京一零一中的英才学院是学校为贯彻落实国家教育改革规划、培养顶尖人才而设立的。

凡是国家紧缺的专业、学术前沿的领域、或是国家战略布局的行业,都是英才学院的涉猎范围,其中包括大数据与金融工程、智能无人机、心理科学,甚至未来战争构想智能。在这样理念下开设脑科学选修课程,为对脑与认知科学感兴趣的学生提供高端研究平台。

授课专家团队由来自于清华大学、中国科学院等知名高校和科研院所的博士组成,涉及信息科学、光学、生物学等多个学科。专家老师和北京一零一生物教师的指导下,学生斑马鱼为动物模型,探究神经系统功能机制与人工智能的关系,通过对斑马鱼全脑的测量与观察,并进行脑科学相关领域的实验设计与实验,以中学生的视角进行认知神经科学的研究。

北京一零一中英才学院的脑科学课程负责人贺美老师介绍说:“这个课程跟普通的系统神经科学课程不同的地方在于,课程使用斑马鱼作为动物模型来开展系统性的神经科学研究。这是一个全脑尺度上多层次、多学科的系统实验。旨在揭示大脑运作的基本原理,并推动脑科学与类脑智能的融合和发展。小小斑马鱼,可以撬动脑科学与人工智能交叉学科的发展。

除此之外,我们同时还采用了最先进的研究设备。课程的实验器材配备的是由清华大学团队研制的SLiM1000扫描光场显微系统。”

SLiM1000扫描光场显微系统,是一个可以做到光学衍射极限分辨率、三维、高速成像的光学成像系统。该系统为清晰地、大范围地观测到亚细胞结构的动力学过程,获取高速大范围的三维荧光信号提供必要手段。在课程中,学生通过老师的指导示范运用该系统,可以清晰地观看学习斑马鱼幼鱼的全脑神经元功能,并记录斑马鱼其全脑神经元活动的变化。

△ 学生在老师的指导下使用SLiM1000扫描光场显微系统

从斑马鱼到人类大脑,北京一零一中的脑科学前沿教学△ 体显微镜下观察斑马鱼胚胎

学生在系统性学习了斑马鱼的大脑功能之后,也能更好地理解普适的大脑结构的组成原理和神经信息的处理机制。进而可以将脑结构和功能的基本原理应用于类脑智能,其神经原理可应用于研发通用智能系统等。

除了英才学院之外,北京一零一中国际部也开展了脑科学相关的选修课程和活动。一零一中国际部致力于培养具有国际视野、国际沟通能力,拥有民族社会责任感和理性、独立思维能力的未来担当人才。在课程设置和学习探究方式上,进行中尊重学的选择性和个性化发展提供有梯度的课程门类和课程内容,因材施教,适合每一学生的成长

除了教师教学之外,一零一中国际部还鼓励学生小组学习和自我探究,并且学以致用,关注社会生活中相关的热点问题,如学生探究老龄化社会中退行性神经系统疾病对于家庭以及社会的影响。在涉及诸如脑科学前沿技术和伦理等问题上,通过辩论的方式培养学生的思辨思维。

从斑马鱼到人类大脑,北京一零一中的脑科学前沿教学

△ 北京一零一中国际部脑科学选修课课程框架

除了选修课以外,一零一中国际部的同学们在生物老师的指导下组织成立社团,讨论脑科学相关的学术话题,进行相关领域的学习与探索。

学生在教师指导下,进行相关内容的学习与研讨。

从斑马鱼到人类大脑,北京一零一中的脑科学前沿教学 从斑马鱼到人类大脑,北京一零一中的脑科学前沿教学

从斑马鱼到人类大脑,北京一零一中的脑科学前沿教学

学生使用部分参考书和选修课程教师资料

学生们还开展一系列基于脑科学的研究活动。

从斑马鱼到人类大脑,北京一零一中的脑科学前沿教学

从斑马鱼到人类大脑,北京一零一中的脑科学前沿教学

中学脑科学教育是全新的探索,注定不能“闭门造车”。为此,北京一零一中的生物老师一直在探索校外横向学习交流

海淀区国际生物课程教研活动中,一零一中的贾婧婧老师与其他学校生物教师交流神经生物科学在生物课程教学中的实践经验。就如何在生物学日常教学中,结合脑科学的相关内容,进行中外课程课程标准的比较,落实国家课程中选择性必修模块和选修模块的相关内容进行分析和讨论交流。

这些教学的尝试和最终成果,体现在学生在参加Brain Bee脑科学活动和其他课外拓展项目的成绩上在过去三年的Brain Bee脑科学活动中,北京一零一中的成绩稳步提升,2022年Brain Bee地区活动和全国活动中,成绩令人瞩目,获奖人数和获奖级别均名列前茅! 更为重要的是,学校的脑科学系统课程大大开拓了学生的视野,鼓励了学生的科学探究精神和能力,为今后的学业和职业打下坚实的基础。

*本文部分资料和图片由北京一零一中提供

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