打破成像权衡瓶颈：受激拉曼散射破解活细胞无标记三维动态难题

细胞是持续动态运转的三维生命系统。脂滴作为核心功能性亚细胞器，其深度参与细胞能量代谢、细胞膜合成、应激调控，同时与多种疾病的发生、发展及演化密切相关。要真正理解脂滴如何参与生命活动，关键不仅是看见它在哪里，更要在活细胞中连续、快速、无标记地追踪它在三维空间中的运动。

而传统荧光成像需要引入外源荧光标记，一方面光漂白会限制长时间观测，另一方面荧光染料本身有可能改变脂滴的理化性质，干扰细胞器原本的运动与代谢行为，很难还原细胞内脂滴真实生理状态。

创新成像策略破解动态追踪痛点

针对这一高端动态成像的技术优化痛点，新加坡国立大学黄志伟教授团队创新性提出PHYSIQ-SRS物理配对受激拉曼散射显微成像技术，从成像物理机制层面完成技术升级，进一步拓宽了相干拉曼SRS成像的性能边界。相关成果成功发表于顶级期刊《Light: Science & Applications》新加坡国立大学林书浪博士（现吉林大学教授）、何滨博士为本文共同第一作者。

受激拉曼散射（SRS）凭借无标记、高化学特异性的优势，非常适合活细胞原位成像。当实验需要进一步实现高速三维扫描，捕捉脂滴毫秒级快速运动细节时，为提升时间分辨率就必须压缩像素驻留时间，单位像素接收光子变少，散粒噪声随之凸显。想要改善图像信噪比，常用方案包括提高激光功率、延长采集时间或多帧平均。这些方式存在取舍：提高激光功率会带来光损伤，影响活细胞活性；延长时间或多帧平均则会牺牲时间分辨率，造成运动的脂滴产生运动模糊，丢失真实动态信息。

如何在不增加光损伤、不牺牲成像速度的前提下获得高质量三维动态数据，成为活细胞无标记动态成像的挑战。

应用突破：揭示活细胞动态的代谢机制

研究团队提出全新物理配对I/Q采集策略，基于SRS本身的检测链路做硬件创新。研究团队利用锁相检测的同相、正交相位通道，配合空间光调制器完成焦点配准与轴向校准，利用同一束激光脉冲的不同脉冲子集，在几乎同一时刻采集两幅高度空间配准的图像。

两幅图像的脂滴拉曼信号完全一致，细胞状态也几乎没有变化，散粒噪声是相互独立去相关的。无需干净的真值参考图像，就可以直接生成自监督算法所需要的训练数据集。整套方案不增加光剂量、不降低成像速度，把高速三维SRS成像的有效信噪比提升12.5 dB，解决了动态场景下的噪声干扰，进一步发挥出相干拉曼成像高保真、无标记追踪的优势。

借助PHYSIQ‑SRS，团队实现了活细胞内数百个内源脂滴的长时、三维无标记追踪。观测发现，脂滴并不是完全随机扩散，主要存在三种可相互切换的运动模式：定向主动运输、类布朗扩散、受限运动，而运动模式的切换，直接受细胞生理代谢状态调控。

图1：PHYSIQ-SRS高信噪比成像与脂滴动态追踪效果

在低激发功率条件下，该技术有效提升成像信噪比，完整记录活细胞内脂滴的全部分布，通过轨迹重建，可以区分上述三类运动状态。团队进一步定量解析不同生理条件下脂滴的行为变化：

✅脂质负荷：油酸处理诱导脂滴堆积后，脂滴整体运动范围受限，但核周区域仍保留定向运输，呈现空间上的异质性；

✅代谢抑制：抑制糖酵解通路后，脂滴长距离定向运输明显减弱，更多转为受限运动，说明脂滴运动和细胞代谢紧密耦合；

✅细胞分裂：脂滴运动随细胞周期发生时序改变，分裂后期受限运动达到峰值，至分裂末期定向运输逐步恢复。

图2：PHYSIQ‑SRS 揭示不同条件下脂滴的三维空间组织和运动状态

该研究团队通过PHYSIQ‑SRS硬件层面创新采集策略，并搭配自监督去噪算法，突破高速三维SRS成像的信噪比瓶颈，拓展了受激拉曼散射在活细胞动态研究中的应用边界。

振电科技UltraView多模态非线性光学显微成像系统，作为国产自研的相干拉曼成像平台，为这类前沿成像策略的落地验证提供硬件底座，助力科研人员原位捕捉细胞器真实的动态生命活动。UltraView集成相干拉曼、双光子荧光、二次谐波多模态成像能力，无需标记即可观测脂滴等内源性分子，具备高速成像能力、低光毒，支持活细胞长时间三维采集，为无标记动态成像研究提供成熟的商用方案。

文章参考链接：

Light | 受激拉曼散射三维成像破解活细胞脂滴运动密码

（https://mp.weixin.qq.com/s/68E04LjLISpNZDJiJuykCA）