腦機啟偵 | 人工智能揭示了阿爾茨海默病大腦中隱藏的化學變化

萊斯大學的科學家們制作了首個完整的無染料阿爾茨海默病大腦分子圖譜。通過結合激光成像與機器學習，他們揭示了不均勻分布于大腦、超越淀粉樣斑塊的化學變化。關鍵記憶區域顯示膽固醇和能量相關分子發生了重大變化。研究結果表明，阿爾茨海默病是一種全腦代謝紊亂——而不僅僅是蛋白質問題。

萊斯大學的研究人員制作了首個在動物模型中全面且無標簽的阿爾茨海默腦分子圖譜。這項工作深入揭示了該疾病的起源和傳播過程。阿爾茨海默病每年奪走的生命超過乳腺癌和前列腺癌的總和，凸顯了理解其驅動因素的緊迫性。

團隊利用先進的基于光的成像方法結合機器學習，檢查了健康和阿爾茨海默病患者動物的腦組織。他們的研究成果發表在《ACS Applied Materials and Interfaces》上，顯示與阿爾茨海默病相關的化學變化不僅限于淀粉樣斑塊。相反，這些改變以不均勻且復雜的模式出現在大腦各處。

激光成像詳細揭示大腦化學

為了檢測這些細微的變化，科學家們采用了高光譜拉曼成像技術。這種復雜的拉曼光譜技術利用激光檢測組織中分子獨特的化學指紋。

“傳統的拉曼光譜為每個分子位點測量一次化學信息，”萊斯大學電氣與計算機工程王博士說。“高光譜拉曼成像在整個組織切片上重復數千次測量，以構建完整圖譜。結果是一張詳細的圖像，展示了化學成分如何在大腦不同區域間變化。”

研究人員逐片掃描整個大腦，匯總數千個重疊測量數據，構建健康與病變組織的高分辨率分子圖譜。由于影像無標記，樣本未使用染料、熒光蛋白或分子標簽處理。

“這意味著我們觀察了大腦的原樣，捕捉到了其化學成分的完整、未被改變的畫像，”王博士說。“我認為這使得該方法更加公正，更適合發現可能被忽視的新疾病相關變化。”

機器學習繪制阿爾茨海默病損傷的不均圖

成像過程產生了大量數據，團隊通過機器學習進行了分析。他們首先應用了無監督機器學習，使算法能夠在沒有預先假設的情況下檢測化學信號中的自然模式。這些模型完全基于分子特征進行組織分類。研究人員隨后使用監督機器學習訓練模型來區分阿爾茨海默病和非阿爾茨海默病樣本。這一步驟有助于確定不同腦區在阿爾茨海默病相關化學反應的強烈程度。

“我們發現阿爾茨海默病引起的變化在大腦中分布不均，”王博士說。“有些區域表現出強烈的化學變化，而有些則影響較小。這種不均勻的模式有助于解釋癥狀為何逐漸出現，以及為何專注于單一問題的治療效果有限。”

記憶區域的代謝紊亂

除了蛋白質積累，研究還發現了健康大腦與阿爾茨海默病大腦之間更廣泛的代謝差異。膽固醇和糖原的水平在不同區域有所不同，其中記憶的區域，尤其是海馬體和皮層，表現出最顯著的差異。

“膽固醇對維持腦細胞結構很重要，糖原則是局部能量儲備，”電氣與計算機工程及材料科學與納米工程黃教授表示。“這些發現共同支持阿爾茨海默病涉及大腦結構和能量平衡更廣泛的破壞，而不僅僅是蛋白質的積累和折疊錯誤”。

機器學習繪制阿爾茨海默病損傷的不均圖

成像過程產生了大量數據，團隊通過機器學習進行了分析。他們首先應用了無監督機器學習，使算法能夠在沒有預先假設的情況下檢測化學信號中的自然模式。這些模型完全基于分子特征進行組織分類。研究人員隨后使用監督機器學習訓練模型來區分阿爾茨海默病和非阿爾茨海默病樣本。這一步驟有助于確定不同腦區在阿爾茨海默病相關化學反應的強烈程度。

“我們發現阿爾茨海默病引起的變化在大腦中分布不均，”王說。“有些區域表現出強烈的化學變化，而有些則影響較小。這種不均勻的模式有助于解釋癥狀為何逐漸出現，以及為何專注于單一問題的治療效果有限。”

阿爾茨海默病進展的更廣泛視角

該項目源于關于研究阿爾茨海默病大腦新方法的持續討論。

“起初，我們只測量了腦組織的小區域，”王博士說。“然后我想，如果我們能繪制整個大腦的地圖，獲得更廣闊的視野呢？經過幾輪測試和反復試驗，測量和分析才開始順利配合。”

當完整的化學圖譜最終拼湊起來時，沖擊立竿見影。

“出現了常規影像中無法察覺的模式，”王博士說。“看到這些結果讓我非常滿意。感覺就像揭示了一層隱藏的信息，這些信息一直存在，等待正確的分析方式。”

通過首次詳細且無染料的阿爾茨海默腦部化學圖，這項研究為該疾病提供了更全面的視角。團隊希望這些發現最終能支持更早診斷和更有效的減緩病情進展的策略。

期刊參考：

Ziyang Wang, Jeewan C. Ranasinghe, Dennis C. Y. Chan, Ashley Gomm, Rudolph E. Tanzi, Can Zhang, Nanyin Zhang, Shengxi Huang. Machine Learning-Enhanced Hyperspectral Raman Imaging for Label-Free Molecular Atlas of Alzheimer’s Brain. ACS Applied Materials, 2025;

DOI: 10.1021/acsami.5c22623

來源：SCIENCE DAILY

浙大科技園啟真腦機智能產業化基地是在浙大控股集團領導下，由浙江大學科技園發展有限公司與杭州未來科技城管委會共建，圍繞腦機智能產業主體，輻射腦機+生命健康、腦機+智能制造、腦機+新一代信息技術、腦機+新材料等領域的專業化特色產業基地，由杭州啟真未來科技發展有限公司負責全面運營。

基地依托浙江大學在腦機智能方面的學科優勢，以腦機智能作為核心科技支撐，貫徹浙江大學國家大學科技園“有組織科技成果轉化、有靶向科技企業孵化、有體系未來產業培育”的服務體系，致力于打造腦機智能領域具備成果顯示度、區域影響力的產業化高地。