麻省理工激光技术突破，让科学家能够实时观察药物进入大脑的过程

科学史上很多重要发现，都藏在一个令人困惑的"意外"里。麻省理工学院电气工程与计算机科学系助理教授尤思贤团队的最新突破，就是从这样一个令人费解的异常现象开始的。

一束照理说应该越来越混乱的激光，在功率被推到接近损坏光纤的临界点时，突然自发地收拢成一道极度锐利、高度聚焦的细光束。没有任何额外的光学调整，没有任何精密的外部干预，光，自己把自己整理好了。

这项研究于2026年4月27日发表在顶级学术期刊《自然·方法》上。

一个反常识的物理现象

这张对比图展示了使用普通高斯光束（上图）和新型铅笔束方法（下图）对血脑屏障模型进行成像的效果。铅笔束方法可在单次扫描中获取整个体积和三维信息。图片来源：麻省理工学院

要理解这个发现有多出人意料，需要先了解一点背景。多模光纤是一种可以同时传输多种光学模式的光导纤维，因为能承受高功率，在工业和医学成像领域有广泛应用。但它有一个顽固的缺陷：功率越高，光纤内部的缺陷和无序结构就越容易造成散射，光束也随之变得越来越混乱，图像质量急剧下降。

这是这个领域长期以来公认的规律。研究人员通常的做法是尽量避开高功率区间，或者投入大量资源专门开发光束整形组件来抑制这种混乱。

然而，团队中博士生曹宏昊在一次逐步提高激光功率的测试中，观察到了完全相反的现象。当功率被推至光纤可能受损的临界区时，散乱的光突然发生了"自组织"，收缩凝聚为一道边界清晰、旁瓣极少的细光束，研究者将其命名为"铅笔光束"。

尤思贤事后描述这个发现时直接说："该领域普遍认为，如果提高这类激光器的功率，光束必然会变得混乱，但我们证明并非如此。"

研究团队随后系统性地还原了这一效应发生所需的条件，发现只有两个关键要素必须同时满足：激光必须以完美的零度入射角进入光纤，比通常的设置精确得多；同时功率必须提升到足以让光与光纤玻璃本身发生非线性相互作用的水平。在这个临界状态下，非线性效应恰好抵消了光纤固有的无序性，形成一种动态平衡，最终产生了稳定的铅笔光束。

曹宏昊的解释简洁而精准："非线性可以抵消固有的无序性，从而产生一种平衡，将输入光束转变为自组织的铅笔光束。"

真正的价值，在于"看见"过去看不见的东西

发现这个物理效应已经足够令人兴奋，但让这项研究真正引发广泛关注的，是它在生物医学成像上的直接应用。

这项新技术使研究人员能够实时动态地追踪细胞对蛋白质的吸收过程。这段动画展示了利用笔形光束技术在血脑屏障模型中对药物（红色）的吸收情况。图片来源：麻省理工学院

团队将铅笔光束技术应用于人类血脑屏障的三维成像，结果令人印象深刻。与现有的黄金标准方法相比，新方法的成像速度快了约25倍，同时保持了相近甚至更高的图像质量。

血脑屏障是大脑的天然防线，由致密的细胞层构成，它阻挡了绝大多数有害物质，但也因此成了药物研发中最棘手的障碍之一。治疗阿尔茨海默症、肌萎缩侧索硬化症等神经退行性疾病的药物，能否真正穿越这道屏障抵达脑组织靶点，是研发成败的核心问题之一。

过去，研究人员只能一次拍摄一张二维切片，再逐层叠加重建三维图像，费时费力，而且往往需要对细胞进行荧光标记才能看清结构。

铅笔光束技术改变了这一局面。它能够在单次扫描中直接获取完整的三维体积信息，分辨率高，景深大，两者之间不再存在传统方法中难以调和的矛盾。更重要的是，这项技术无需对细胞进行任何荧光标记，就能实时追踪药物被单个细胞摄取的动态过程。

参与研究的麻省理工学院生物与机械工程系教授罗杰·卡姆指出，制药行业目前非常希望利用人体器官芯片模型筛选能突破血脑屏障的候选药物，因为动物实验的预测结果与人体往往出入极大。"我们现在首次能够观察药物进入大脑的时间依赖性过程，甚至可以确定特定细胞类型内化药物的速率，"他说，这在此前是做不到的。

从技术层面看，这套系统还有一个额外的优点：它使用的是普通的光学器件，不需要定制的专用组件，尤思贤说，"你可以用普通的光学装置完成这项工作，而无需太多专业知识"，这意味着它有可能在更多实验室里推广普及。

研究团队接下来计划深入研究这种自组织光束背后的物理机制，并将技术延伸至大脑神经元成像，同时探索商业化的可能路径。

一束"失控"的激光，意外整理了自己，也意外打开了一扇新的窗口。