神经科学作为人类了解自身生理病理、情感学习的一个重要方面，一直备受关注。体外模型是研究神经科学问题的重要手段。随着微纳米技术的迅速发展，人们在体外实现了对单一神经细胞和神经网络的更精确调控。我们系统比较了多种生物分子修饰的表面对神经细胞粘附、形貌发育和迁移的影响，发现正电大分子聚合物促进神经细胞粘附和分支，胞外基质蛋白表面促进神经细胞在网络中的时空协同迁移。选用上述分子构建图案化修饰表面，精确引导单一神经细胞的轴突生长，并调控轴突分支位置，并构建表面浓度梯度，研究轴突导向和成束现象。此外，通过设计不同几何特征的微流控芯片，高通量观察轴突中的分子转运事件，并研究轴突连续性与神经退行性疾病的关系。进一步构建彼此间交错有序连接的三维神经网络群，并记录其中的自发神经活动。上述结果为神经科学的研究提供了有效的体外模型，在神经退行性疾病研究、人工智能和神经组织工程等领域展现出潜在应用。