以光解读大脑
黄声希教授，莱斯大学电气与计算机工程及生物工程副教授，领导 SCOPE 实验室。在那里，光成为读取细胞分子生命的一种语言。图片来源：Jeff Fitlow / Rice University 王子洋，莱斯大学电气与计算机工程博士生，致力于在拉曼光谱与机器学习的交汇处绘制阿尔茨海默病的分子景观。图片来源：Jorge Vidal 黄声希与王子洋谈阿尔茨海默病分子图谱：不染色，不标记，也不预设寻找目标 编者按 自开始关注阿尔茨海默病领域以来，一个问题始终困扰着我：为何在经历数十年的研究、针对单一分子目标投入数十亿美元后，该病依然难以治愈？当我读到莱斯大学黄声希教授 SCOPE 实验室的工作时，感到一种全新的观察方式正在降临。该团队来自生物学领域之外，利用光线读取处于原始化学状态的大脑组织。 这项发表在 2026 年初《ACS Applied Materials and Interfaces》上的研究，首次制作出动物模型中阿尔茨海默病大脑的完整无标记分子图谱。通过超光谱拉曼成像与机器学习，团队逐层绘制了整个大脑的化学变化，过程中未引入任何染料或分子标记。最终发现的事实远超淀粉样蛋白斑块的范畴。 黄教授与该研究第一作者、莱斯大学电气与计算机工程博士生王子洋共同撰写了下文回复。他们在发布前对技术准确性进行了校审。 ——Adelina 在过往大部分历史中，阿尔茨海默病研究都处于一种必然的收缩状态。面对极其复杂的疾病，科学家选定目标，如淀粉样蛋白斑块与 tau 蛋白缠结，并围绕其建立方法。所用工具虽然强大精准，却属于特定维度的精准：研究者选定分子，设计标记物，随后看见预设的目标。 SCOPE 实验室遵循不同逻辑。该方法不以目标为起点，而以问题开始：组织中究竟存在什么，分布在何处？其利用拉曼光谱技术，通过物质散射光的方式读取分子指纹，从而观察大脑组织的天然化学状态。无染料，无荧光标记，不对存在物做任何预先承诺。 这一结果构成了首个无标记生成的阿尔茨海默病全脑分子图谱。该图谱由数千个重叠的光谱测量点逐层构建，并经由机器学习算法分析，能够识别出人类感官无法察觉的模式。最终揭示出一种并不局限于斑块且分布并不均匀的疾病。与之相关的化学变化以不规则、区域特异性的模式分布于全脑。在与记忆最相关的区域，海马体和皮质，胆固醇与糖原代谢的紊乱与预料中的淀粉样蛋白积累一同显现。 黄声希从光学光谱与纳米材料领域跨界而来，而非出自生物学背景。在她看来，大脑与她职业生涯中研究的薄层材料具有某种共同点：它位于基底，具有分层结构，并蕴含着光可读取的分子信息。王子洋主导了技术开发，最初他仅测量大脑的一小块区域，随后提出了一个简单的问题：如果我们绘制整个大脑会怎样？最终出现的并非对已知事物的印证，而是一张挑战传统视角的地图。 两束激光逐点扫描脑组织横截面，返回的并非照片，而是一幅化学肖像。每一个像素都编码着其下方物质的分子特征。最终生成的图谱以颜色呈现浓度，使那些任何染料都无法预先命名的变化得以显现。图片来源：Ziyang Wang / Shengxi Huang Research Group, Rice University 对话 Our Narratives 请谈谈您的学术历程。早期的训练如何引导您进入材料科学与生物成像的交汇领域？在哪一时刻您意识到这些工具可用于神经退行性疾病研究？ 黄声希：我早期受训于光学光谱与纳米材料领域。我曾研究二维材料与有机分子的相互作用，发现某些二维材料能增强特定分子的拉曼信号。于是我开始思考这种效应是否适用于更复杂的生物分子，并转化为实际应用。博士阶段后期，我开始接触生物分子，结果令人振奋。建立研究组后，我决定利用这种独特现象深耕生物传感领域。作为教职人员拥有追求独特想法的自由。幸运的是，我遇到了优秀的合作者，他们教授我大量阿尔茨海默病知识并提供样本，促成了目前的成果。 Our Narratives 您的实验室处于多个学科的罕见交汇点。是什么引导您将大脑视为一个值得研究的材料问题？ 黄声希：对我们而言，大脑切片就像一块二维材料：它是平坦的，位于基底之上，并携带我们可以测量的拉曼信号。大脑更令人兴奋之处在于其多功能性，这里有海量的分子信息等待解密。通过相对简单的二维材料拉曼信号，我们已能表征缺陷、应变、厚度和氧化情况。面对大脑更丰富的信号，我们能学到的东西远不止于此。由于数据复杂度极高，有时需要 AI 辅助理解特定特征，而这正是电气工程师的强项。这种看似迥异的领域间存在如此多共同点，令人欣慰。 Our Narratives 坚持无标记方法感觉是一项深刻的哲学选择。捕捉大脑“原貌”意味着什么？传统染料遮蔽了哪些事实？ 王子洋：捕捉大脑“原貌”意味着在不引入可能产生观察偏差的标记物情况下，观察其天然分子状态。传统染料与荧光标记要求预先决定突出显示哪种分子，往往导致研究聚焦于已知目标，忽略了组织更广泛的化学环境。无标记方法允许我们直接测量大脑内在的分子指纹。我们不再仅仅寻找预设标记物，而是观察完整的分子景观，探测那些可能被隐藏的细微生化变化，从而全方位理解疾病。 […]
