在创伤性脑损伤(TBI)过程中，可分为原发性和继发性两个阶段。原发性脑损伤包括创伤本身引起的病理生理变化。相比之下，宿主对该创伤的反应所产生的变化包括继发性脑损伤阶段，这在决定TBI的结局中起着关键作用。因此，确定脑损伤引起的大脑变化对于完全理解这一过程和开发有效的诊断和治疗工具至关重要。
拉曼光谱在脑外伤检测中的应用
继发性脑损伤的病理生理包括多种生物学过程，如神经炎症、线粒体功能障碍、氧化损伤、代谢损伤等，可作为损伤严重程度和预后的潜在标志物。在TBI过程中检测这些化学变化的主要实验技术是微透析结合免疫分析、质谱、核磁共振，以及最近的拉曼光谱。拉曼光谱的主要比较优势是其潜在的体内应用，通过使用局部检测探针，可以可视化代谢物浓度的空间变化。此外，该技术可以同时对几种生物分子进行多重分析，可以进行无标签，并且是非破坏性的。然而，拉曼光谱学并非没有局限性。与质谱等其他方法不同，除了之前探索的技术的一般局限性外，它不能提供关于特定蛋白质或脂类的信息。
拉曼光谱研究脑外伤期间的代谢变化开始以小鼠为动物模型。在这种类型的第一个工作中，老鼠的大脑受到损伤，整个大脑被提取出来。然后，用785 nm激光耦合光学显微镜激发这些样品，并收集拉曼光谱8 s。作者发现，受伤的大脑在1660 cm−1处显示出酰胺I振动的减少，同时在1560和1640 cm−1处出现尖锐的条带。免疫组织学显示，这些条带与Caspase 3水平的升高和神经元凋亡的激活有关。其他作者也使用整个小鼠大脑作为TBI模型，能够使用共聚焦拉曼显微镜确定时间变化。在早期“急性”期，由于最初的出血，出现了与血红素相关的强信号。7天后，血红素信号消失，但观察到胆固醇对应的拉曼带增加，这被认为与细胞修复过程有关。最近，在大鼠脑切片中结合拉曼显微镜和傅里叶变换红外显微光谱证实，病变部位的胆固醇水平升高。与此同时，与蛋白质相关的拉曼信号增加，磷脂信号减少。在用氘和炔标记生物正交标记的大鼠海马切片培养中得到了相同的总体结果。使用标记的DNA、RNA、蛋白质和脂类类似物，蛋白质水平增加了3倍，棕榈酸水平增加了10倍，表明细胞修复机制被激活。
全脑或脑切片的拉曼成像是建立脑外伤期间代谢变化的一个很好的工具。然而，这并不是一种适合监测病人的方法。为了有效的预后，必须开发低创或无创技术。在这方面，拉曼光谱最近被应用于小鼠TBI模型的视网膜。来自视网膜的光谱可以区分中度和重度TBI，并且记录了眼睛中类似于在大脑中观察到的化学变化，与细胞损伤后心磷脂的释放有关。人们开发了人工颅骨解剖模型来指导颅内探针原型的设计，该原型能够从临床建立的颅骨通路技术提供拉曼测量。这种新设备可以实时测量颅内光谱，同时避免来自颅外组织的噪声。该装置的进一步验证将允许其插入病变部位，并用于监测急性期TBI后的变化。最后一组方法依赖于测量生物体液中的代谢标记物，以简单快速地确定TBI的严重程度。使用血液或血浆等生物液体的主要优点之一是它们可以通过SERS进行体外测量，这大大提高了信号和灵敏度。SERS用于检测S-100β或n-乙酰天冬氨酸作为TBI生物标志物，以确定损伤的严重程度，并可能有助于临床决策。
脑缺血是脑供血不足，无法满足代谢需求的结果。如果血流减少超过一定阈值，可演变为脑梗死，死亡率达15%。在阻断脑血流的过程中，每分钟可损失190万个神经元，因此在早期发现脑缺血可以在病情发展之前进行治疗，降低梗死发生的几率，提高生存率。目前，脑缺血的检测主要依靠磁共振成像(MRI)和计算机断层扫描(CT)。CT具有更好的整体分辨率，比MRI更快，更方便，限制更少。尽管如此，它仍然需要使用造影剂和放疗，并且在检测小病变方面受到限制。虽然这两种技术都构成了脑缺血诊断的金标准，但非侵入性、高效和经济的补充方法正在开发中，以协助识别病情。在这些新方法中，拉曼光谱是一个很好的候选者，因为大脑特定区域的血流和氧气减少会产生代谢变化，而这种技术可能检测不到。
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