李棟：10年抵達(dá)0.00000006米，分辨率并非唯一答案
李棟，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所研究員，2019年科學(xué)探索獎(jiǎng)前沿交叉領(lǐng)域獲得者。
獲獎(jiǎng)理由：肯定他在光學(xué)顯微成像技術(shù)方面的成績(jī)，激勵(lì)他在高速活體長(zhǎng)時(shí)程超分辨顯微成像技術(shù)方面進(jìn)一步突破。
在人類看見(jiàn)微小生物這件事上，多數(shù)人都要?dú)w功于列文虎克——這位來(lái)自荷蘭的顯微大師，三百多年前從眼鏡師那兒習(xí)得了磨鏡手藝，制造了數(shù)百個(gè)透鏡。當(dāng)人們第一次透過(guò)顯微鏡看到游動(dòng)的紅細(xì)胞、細(xì)菌、精子時(shí)，一個(gè)新世界打開(kāi)了。
幾百年過(guò)去了，眼見(jiàn)為實(shí)的信條和對(duì)清晰度的無(wú)上追求仍在繼續(xù)，分辨率1000納米、400納米、200納米！100納米！甚至優(yōu)于10納米！數(shù)字見(jiàn)證著人類的智慧。人們能看到的微小世界更清晰了，比如辨識(shí)細(xì)胞器，病毒與細(xì)胞交戰(zhàn)時(shí)的你來(lái)我往……
但或許，數(shù)字并不是唯一的答案。
準(zhǔn)確的說(shuō)，熒光顯微鏡的研究更像是一門平衡與妥協(xié)的藝術(shù)：看得清楚（空間分辨率高），看得快（成像速度快），看得久（對(duì)活體細(xì)胞傷害?。?/span>，看得深（無(wú)損觀測(cè)生物樣品內(nèi)部）等指標(biāo)維度相互制約，難以同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。有時(shí)，看得清楚了，但過(guò)多傷害了活體細(xì)胞，或是采集所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，“來(lái)不及” 連續(xù)拍攝分子層面的動(dòng)態(tài)生命過(guò)程，等等。
這場(chǎng)博弈的有趣之處在于，在獲得之前，先要想好失去什么。
很多時(shí)候，研究者會(huì)情不自禁陷入對(duì)分辨率的追求。但對(duì)于中科院生物物理所李棟研究員來(lái)說(shuō)，為了解開(kāi)生命運(yùn)作的秘密，他愿意舍棄部分分辨率，在盡量不傷害生命體的情況下，看清它們的行為和細(xì)微結(jié)構(gòu)。
犧牲什么，留下什么？看似是一個(gè)選擇的問(wèn)題，實(shí)質(zhì)卻是：做研究是為了什么？
時(shí)間回到2012年冬天。
圣誕節(jié)左右，美國(guó)多地暴雪，2000多個(gè)航班延誤取消。在華盛頓，到處是白茫茫的一片，厚處的積雪足有80厘米，接近一個(gè)成年人的腿長(zhǎng)。
在美國(guó)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所Janelia園區(qū)，埃里克·白茨格（Eric Betzig）博士的實(shí)驗(yàn)室依然忙碌。這位后在2014年因發(fā)明超分辨熒光顯微鏡摘得諾貝爾獎(jiǎng)的教授，出了名的刻苦，每周工作80小時(shí)是他和小組成員的理想狀態(tài)。
取了樣本細(xì)胞，白茨格的中國(guó)博士后李棟開(kāi)始測(cè)試新的技術(shù)方案的效果，這已經(jīng)是他第N次優(yōu)化這一顯微鏡系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)了。
來(lái)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的第二年，他開(kāi)發(fā)的高數(shù)值孔徑非線性結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡（High NA TIRF-SIM，Nonlinear SIM）正處于關(guān)鍵的測(cè)試階段。此前，100納米以下分辨率的活細(xì)胞高速成像一直是領(lǐng)域內(nèi)的難題。
驚喜突如其來(lái)。
從左到右，從衍射極限分辨率到100納米再到60納米分辨率，鏡頭里的細(xì)胞內(nèi)微絲骨架的脈絡(luò)逐漸清晰，像是近視者帶上眼鏡 “重獲光明”。這是李棟首創(chuàng)的高數(shù)值孔徑非線性結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡的成像效果。
兩像對(duì)比，好似久經(jīng)歲月的老舊糊照片被 “一鍵修復(fù)”。
即使尚未配色，還只是灰突突的灰度圖，但對(duì)比著兩個(gè)片子，盯著屏幕，喜悅從心底蔓延開(kāi)來(lái)，李棟只覺(jué)得看不夠。他把對(duì)比圖最大化在電腦上，“一直放在那里，不熄屏”。
李棟的座位靠近走廊過(guò)道，雖然一共沒(méi)幾位同事來(lái)上班，但大家出出入入、甚至倒咖啡路過(guò)他的實(shí)驗(yàn)臺(tái)時(shí)，都忍不住停下來(lái)看一下他的顯示屏，然后朝他點(diǎn)頭笑笑。
這種成像方法，一舉打破了當(dāng)時(shí)結(jié)構(gòu)光顯微技術(shù)無(wú)法突破100納米的局限，以對(duì)細(xì)胞傷害最小的方式獲得50-80納米分辨率，適用于性廣，成像速度快。
2015年的Science 雜志將這一工作選為封面文章，Nature Methods 則評(píng)議道：“是最終實(shí)現(xiàn)分子水平分辨率下觀測(cè)生命過(guò)程的重要一步，讓科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到在無(wú)損條件下實(shí)現(xiàn)活體成像的重要性?！?/span>
后來(lái)，導(dǎo)師埃里克·白茨格總結(jié)這個(gè)工作時(shí)稱這是 “heroic experiment”（英雄般的實(shí)驗(yàn)）。
在超分辨顯微鏡的江湖上，有兩種潮流聲名煊赫：?jiǎn)畏肿佣ㄎ环ㄅc受激輻射耗盡顯微術(shù)。2014年，對(duì)這兩種方法作出重要貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家被表彰諾貝爾獎(jiǎng)。其中 “單分子定位法” 的發(fā)現(xiàn)者正是李棟的導(dǎo)師白茨格。
對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，追熱點(diǎn)或沿著導(dǎo)師的思路走，都是更 “穩(wěn)妥” 的道路。
但通過(guò)近3個(gè)月的調(diào)研，系統(tǒng)分析現(xiàn)有三類技術(shù)的不同成像特性后，李棟選擇了當(dāng)時(shí)較為冷門的另外一條路——結(jié)構(gòu)光照明。
作為唯一能在活體條件下對(duì)任意蛋白分子進(jìn)行連續(xù)追蹤的設(shè)備，光學(xué)顯微鏡有著無(wú)可比擬的生物學(xué)意義：不必切片制備，先毀壞、殺死細(xì)胞才能進(jìn)行觀測(cè)，意味著能看活體，看到細(xì)胞內(nèi)瞬息萬(wàn)變的 “gif動(dòng)圖”，而非某一張單獨(dú)的 “靜態(tài)遺照”；可以使用熒光標(biāo)記，借助不同的顏色染色，意味著能選擇性觀看感興趣的生物大分子，就好像在一個(gè)信息爆炸的Excel里使用了 “篩選” 功能， “合并同類項(xiàng)” 般地直觀呈現(xiàn)……
但長(zhǎng)久以來(lái)，光學(xué)顯微成像技術(shù)受制于 “阿貝極限”，分辨率無(wú)法超過(guò)200納米。
人們透過(guò)光學(xué)顯微鏡看到的，其實(shí)是承載物體信息得光波衍射形成的衍射斑，光束不能無(wú)限聚焦，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)過(guò)于細(xì)小，細(xì)小到他們形成的衍射斑重疊而無(wú)法分辨，便只能看到模糊的一團(tuán)。而病毒、生物大分子等的尺度剛好小于200納米，人們只能眼睜睜看著，這些 “漏網(wǎng)之魚(yú)” 攜帶著若干生物學(xué)秘密，在光學(xué)顯微鏡的掃描下逃之夭夭。
如何超越阿貝極限幾乎成了領(lǐng)域內(nèi)科學(xué)家們的共同目標(biāo)。
依靠著智慧、嚴(yán)謹(jǐn)與堅(jiān)持，科學(xué)家們從三種路徑逼近并突破了阿貝極限：?jiǎn)畏肿佣ㄎ环?、受激輻射耗盡顯微術(shù)和結(jié)構(gòu)光照明顯微術(shù)。
單分子定位法和受激輻射耗盡顯微術(shù)是當(dāng)時(shí)的 “人氣賽道”。因?yàn)橄噍^于結(jié)構(gòu)光照明顯微術(shù)在100納米就開(kāi)始 “舉步維艱” 的分辨極限，這兩種方法的分辨率可達(dá)到20納米，且從理論上，只要設(shè)備足夠先進(jìn)、采集時(shí)間夠長(zhǎng)、樣品足夠堅(jiān)挺…… 它們的分辨率就能無(wú)限小。
利用光學(xué)顯微鏡研究生命現(xiàn)象是一門妥協(xié)的藝術(shù)。但，生命過(guò)程多種多樣，需要根據(jù)其特點(diǎn)明確指標(biāo)優(yōu)先級(jí)。
雖然分辨率更高，但單分子定位法與受激輻射耗盡顯微術(shù)付出的代價(jià)在于 “犧牲時(shí)間分辨率” 換取 “空間分辨率”，即為了拍的清楚，就拍的更久。要得到超分辨圖像，它們往往需要數(shù)十秒到數(shù)小時(shí)的采集時(shí)間，比太陽(yáng)光強(qiáng)高十萬(wàn)倍以上的照明強(qiáng)度，這導(dǎo)致成像速度慢，對(duì)活體樣品傷害大，往往僅適于對(duì)固定樣品成像。
“哪些是最本質(zhì)的觀測(cè)維度？單純提高分辨率維度就足夠嗎？提高分辨率是為了什么？” 李棟反復(fù)告訴自己，不要隨波從眾。
生命的奇妙在于一個(gè)個(gè)連續(xù)的生物過(guò)程動(dòng)態(tài)組合而成。研究固定后的生物樣品，很難了解生物過(guò)程的全貌。
“以盡可能低的代價(jià)提高分辨率，從而為同時(shí)拓展其它觀測(cè)維度留余地。” 李棟期望，能夠多維度更全面地認(rèn)知一個(gè)個(gè)生物過(guò)程。
這也得到了白茨格的認(rèn)可，這是真正從生物學(xué)源頭出發(fā)，面向需求的決策。
他們相信，結(jié)構(gòu)光照明超分辨技術(shù)的潛力巨大。
種下一顆種子，等待它延展出繁茂的根系。
結(jié)構(gòu)光照明的研究，不僅成為李棟科研事業(yè)的起點(diǎn)，也塑造了他日后的研究模式——要方向敏感，理論簡(jiǎn)潔，工程可靠。
但其實(shí)，很多年以前，他就曾感受過(guò)簡(jiǎn)潔的震撼。
sinαsinβ＝－1／2［cos（α＋β）－cos（α－β）］
當(dāng)兩個(gè)正弦函數(shù)相乘時(shí)，波函數(shù)的頻率會(huì)變高，這幾乎是任一個(gè)高二學(xué)生都能作答的公式。
為了獲得高分辨率，李棟結(jié)合光控?zé)晒獾鞍椎陌l(fā)光特性，用了兩個(gè)不同顏色的光照激發(fā)觀測(cè)物，得到更高的調(diào)制頻率，從而提高分辨率。理論上，這也能達(dá)到分辨率無(wú)限高（分辨率越高代表越清晰）。
“非常通透。你可以把一個(gè)最簡(jiǎn)單的三角公式映射到一個(gè)前沿的設(shè)備上，用一個(gè)簡(jiǎn)潔的原理實(shí)現(xiàn)一個(gè)困擾大家很久的問(wèn)題。只要你開(kāi)始繪制模式圖，你就能很自然地把它轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)和物理的語(yǔ)言?！?李棟說(shuō)。
這是突破分辨瓶頸的關(guān)鍵一環(huán)，但僅在整個(gè)理論說(shuō)明中占了一頁(yè)P(yáng)PT的體量，甚至在匯報(bào)中，常因過(guò)于細(xì)節(jié)而根本不會(huì)被提及。就這樣，想通所有的理論框架 “只” 用了一個(gè)多月，但落地用了兩年半。
例如，如何實(shí)現(xiàn)兩種激發(fā)光波函數(shù)的 “波峰對(duì)波峰，波谷對(duì)波谷”？
波函數(shù)的周期將近150納米，而顯微鏡的成像視野大概為50微米，也就是50000納米，這就意味著要在半根頭發(fā)粗細(xì)的成像視野中，調(diào)整兩個(gè)分別會(huì)出現(xiàn)3000多個(gè)周期的波函數(shù)。
倘若兩個(gè)波函數(shù)沒(méi)有對(duì)齊，又該如何檢驗(yàn)？還需要調(diào)制一種與被觀測(cè)細(xì)胞折射率相似的熒光小球溶液做 “替身”，先用已知的熒光小球的直徑，測(cè)算兩個(gè)波函數(shù)之間的相位差，再替代到被觀測(cè)細(xì)胞上……
這些都是隨時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題：傷害性不大，難纏性極強(qiáng)。
不同于理論研究，多數(shù)依靠與大腦的天人交戰(zhàn)，超分辨顯微成像技術(shù)研制的核心之一是 “工程能力”。
李棟的妻子是一名產(chǎn)品經(jīng)理。這份強(qiáng)調(diào)推進(jìn)、落地的職業(yè)，在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代被拱上潮頭，肩負(fù)著發(fā)現(xiàn)需求、解決痛點(diǎn)，甚至引領(lǐng)行業(yè)趨勢(shì)的重任：要每一個(gè)細(xì)節(jié)都可以被看到，每一個(gè)細(xì)節(jié)都可以被執(zhí)行。從這個(gè)角度來(lái)講，李棟與妻子的工作頗有相通之處。
因?yàn)檎w目標(biāo)是 push to the limit——追求極致，所以每個(gè)步驟都要嚴(yán)苛地控制效果，“這一步達(dá)到了預(yù)期，才開(kāi)展下一步?！?任何一個(gè) “這里損失一點(diǎn)沒(méi)關(guān)系的念頭”，都會(huì)滿盤皆輸。
“不是有一個(gè)想法，而是超前的想法，也不只是證明想法可行，而是要徹底實(shí)現(xiàn)，不要80%、90%，要100%，要足夠好、足夠可用、足夠能真正解決生物學(xué)問(wèn)題。”
那些細(xì)碎的工作，有時(shí)要靠螺絲刀、其他的小器具和經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)組裝儀器，有時(shí)要調(diào)試代碼控制軟件，有時(shí)要在稿紙上演算確認(rèn)……當(dāng)然，有時(shí)還要不斷地發(fā)出、接收 “信息”，與合作伙伴溝通心意。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授俞立曾參觀過(guò)李棟的實(shí)驗(yàn)室，感覺(jué) “頭皮都是麻的”。
在一條條長(zhǎng)長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)桌上，密密麻麻裝備著顯微鏡和各種各樣的器材，粗黑的電源線們一把把地?cái)€在一起，稍不注意就擰成麻花，電腦懸垂在一旁的支架上。
這些布置，令人聯(lián)想到古代行軍布陣時(shí)的軍事沙盤，從某些角度上，這也確實(shí)是主帥李棟的兵卒們，他調(diào)遣它們，在成像視野不到半粒沙子大的方寸之間抽絲剝繭。
很多人厭惡瑣碎，挑戰(zhàn)和快樂(lè)常常在構(gòu)想完成的瞬間沖到巔峰，隨后迅速消耗殆盡。但于李棟，方向檢驗(yàn)敏感度、理論檢驗(yàn)構(gòu)想、工程檢驗(yàn)可靠，沒(méi)什么比這樣的全程參與更有掌控感，三種層次的快樂(lè)循環(huán)往復(fù)地推動(dòng)著他。
工作，不是解決麻煩，而是獲得快樂(lè)。快樂(lè)來(lái)臨的瞬間，像頭腦里突然奏響沸騰的樂(lè)章，他一個(gè)在飽滿熾烈的精神世界里自得其樂(lè)，而不必為外人道。
“科學(xué)研究是非常自我的。無(wú)論是一連串的知識(shí)邏輯理解通了，解決方案一步步走出來(lái)了，第一個(gè)知道的永遠(yuǎn)是你自己，你講給任何第二個(gè)人聽(tīng)，都不能100%理解，哪怕是愛(ài)人、還是一起工作的伙伴，都不能100%理解。”
從香港科技大學(xué)博士畢業(yè)以后，李棟幾乎看遍了世界頂尖學(xué)者們的招聘主頁(yè)，他有一個(gè)模糊的想法，想繼續(xù)博士期間的 “小實(shí)驗(yàn)室-大科學(xué)”：既要 “小實(shí)驗(yàn)室” 更多一對(duì)一的及時(shí)交流，圍繞特定問(wèn)題的有效討論，簡(jiǎn)單輕快的人際關(guān)系，也要 “大科學(xué)” 充沛的資源，足夠的自由度和對(duì)前沿問(wèn)題的超前構(gòu)想。
他加入了霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所埃里克·白茨格的項(xiàng)目組。這是業(yè)內(nèi)毫無(wú)爭(zhēng)議的、響當(dāng)當(dāng)?shù)膱F(tuán)隊(duì)。
如何判斷一個(gè)好的學(xué)者？
俞立認(rèn)為，那應(yīng)當(dāng)是 “做他需要做的事，而不是只做他已經(jīng)會(huì)做的?！?/span>
回國(guó)后，李棟不僅把他在美國(guó)時(shí)擅長(zhǎng)的技術(shù)建立了起來(lái)，還很快地有所創(chuàng)新，這是北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院教授、副院長(zhǎng)孫育杰的評(píng)價(jià)。
2015年，來(lái)到中國(guó)科學(xué)院生物物理所，李棟開(kāi)始組建自己的小實(shí)驗(yàn)室。
在北京的辦公室里，這個(gè)10人左右的團(tuán)隊(duì)，保持著與中科院生物物理所其他實(shí)驗(yàn)室、霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所、牛津大學(xué)、杜克大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)等海內(nèi)外前沿實(shí)驗(yàn)室的密切合作。
不同于常見(jiàn)的、一條縱深的線一般的研究軌跡，李棟團(tuán)隊(duì)的研究，很像是一張網(wǎng)。
這是由物理理論、硬件設(shè)備、軟件算法和生物學(xué)主題四根金線編成的網(wǎng)，一張為網(wǎng)住許許多多有價(jià)值生物學(xué)問(wèn)題而生的網(wǎng)。
首先，還是從最熟悉的顯微鏡設(shè)備入手。
他研究的掠入射結(jié)構(gòu)光超分辨顯微鏡技術(shù)（GI-SIM），刷新了自己在博士后期間的TIRF-SIM能達(dá)到的效果?？梢栽?7納米分辨率下，以每秒成像660幅的速度連續(xù)成像，“照見(jiàn)”細(xì)胞1微米深度內(nèi)的動(dòng)態(tài)。通過(guò)這一技術(shù)，你能看到細(xì)胞器和細(xì)胞骨架進(jìn)行著高度動(dòng)態(tài)又有組織的相互作用，細(xì)胞器之間也進(jìn)行著蛋白質(zhì)和脂類的交換、信號(hào)的傳遞，運(yùn)動(dòng)纖毛內(nèi)繁忙的 “交通”，等等。
那是生物課本上沒(méi)來(lái)得及更新的 “愛(ài)恨情仇”：短棒狀或圓球狀的線粒體們正 “扭來(lái)扭去”。仔細(xì)觀察，它們 “扭動(dòng)” 的頻率并不相同，因?yàn)閮?nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體接觸點(diǎn)更能夠促進(jìn)線粒體的分裂與融合。而運(yùn)動(dòng)著的溶酶體仿佛行走的 “剪刀”，所到之處，可以帶來(lái)管狀內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的瞬時(shí)斷裂……
線粒體（綠色）在與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（紫紅色）接的觸位點(diǎn)融合
還有不同種細(xì)胞器間廣泛的 “搭便車”。當(dāng)一種細(xì)胞器召喚馬達(dá)蛋白托舉著它在細(xì)胞微管上移動(dòng)時(shí)，另一個(gè)附近也有 “散步” 意向的細(xì)胞器，很可能就不再自己招募馬達(dá)蛋白，而是直接搭上那個(gè)正在行進(jìn)的細(xì)胞器的 “肩膀”，蹭上對(duì)方的 “車夫”，來(lái)了個(gè) “拼車”。
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（紫紅色）搭上線粒體（綠色）的“便車”
因?yàn)殡S時(shí)可能遇到前人未發(fā)現(xiàn)過(guò)的信息，所以必須隨時(shí)保持好奇、敏銳以及堅(jiān)持。畢竟更新發(fā)現(xiàn)往往意味著推翻一些大眾認(rèn)知。要知道，當(dāng)顯微鏡時(shí)空分辨率達(dá)不到時(shí)，人們只能忽視那個(gè)搭便車的細(xì)胞器，而誤以為它也有一個(gè)屬于自己的車夫。
如果細(xì)細(xì)剖析，建立在積累上的自信也加成了李棟的快樂(lè)?！拔覀冏龀鰜?lái)了，突破了，我們相信那可能是全世界做得最好的，是在技術(shù)細(xì)分領(lǐng)域上最早提出的方案。”
2018年，GI-SIM圖像的工作發(fā)布于Cell雜志，Nature 評(píng)議它帶來(lái) “水晶般清晰” 的成像效果，還入選了2018年度科技部的中國(guó)十大科學(xué)進(jìn)展……
并且，像完成一幅拼圖，連點(diǎn)成線般的研究，展現(xiàn)了李棟在學(xué)科上的布局。GI-SIM成像技術(shù)的硬件系統(tǒng)兼容了李棟之前開(kāi)發(fā)的全反射結(jié)構(gòu)光（TIRF-SIM）、三維結(jié)構(gòu)光（3D-SIM）和非線性結(jié)構(gòu)光（nonlinear SIM）超分辨成像技術(shù)，形成了一套能 “兼容并包” 的多模態(tài)結(jié)構(gòu)光超分辨成像系統(tǒng)。
這套系統(tǒng)，可以對(duì)從細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)到全細(xì)胞范圍內(nèi)的生物過(guò)程，都以100納米及突破100納米分辨率成像，連續(xù)追蹤活體樣本中的多種分子事件，提供與測(cè)序、生化、質(zhì)譜等方法相互補(bǔ)的時(shí)空動(dòng)態(tài)信息，滿足生物學(xué)研究中大多數(shù)熒光成像實(shí)驗(yàn)的需求。
中國(guó)科學(xué)院外籍院士、美國(guó)杜克大學(xué)教授王小凡曾評(píng)論，這將把細(xì)胞生物學(xué)帶入一個(gè)新時(shí)代，更好地理解活細(xì)胞條件下的分子事件，從機(jī)制上洞察關(guān)鍵生物過(guò)程，可對(duì)生命科學(xué)整個(gè)學(xué)科產(chǎn)生重大影響。
重點(diǎn)在于李棟知道什么是重要的問(wèn)題。
在采訪中，俞立和孫育杰不約而同地告訴《知識(shí)分子》，除了技術(shù)扎實(shí)，李棟的一大突出優(yōu)勢(shì)是對(duì)生物學(xué)的理解。
無(wú)論是GI-SIM還是多模態(tài)結(jié)構(gòu)光超分辨成像系統(tǒng)，都不是神通廣大到無(wú)所不能的設(shè)備。當(dāng)然，迄今為止，也還未出現(xiàn)過(guò)這樣的顯微鏡設(shè)備。如同孫育杰所說(shuō)，“沒(méi)有最好的技術(shù)，只有最適合的技術(shù)?！?/span>
也正因此，李棟的選擇顯得格外寶貴。
在這門妥協(xié)的藝術(shù)里，他會(huì) “犧牲” 分辨率——一個(gè)大多數(shù)擅長(zhǎng)工程的顯微鏡研究者不舍得犧牲的指標(biāo)，一種對(duì)技術(shù)崇拜的執(zhí)著。很多時(shí)候，顯微鏡研究者往往會(huì)情不自禁陷入對(duì)分辨率的追求，刷新數(shù)字極限帶來(lái)的戰(zhàn)勝般的愉悅。
但代表分辨率的那個(gè)數(shù)字，即使有時(shí)已經(jīng)挺小了，也壓根兒不會(huì)撬動(dòng)生物學(xué)研究者的心弦——如果這個(gè)數(shù)字不能幫他們看到想看的東西，解決實(shí)際問(wèn)題。
觀測(cè)細(xì)胞器的真正難點(diǎn)在于，大多數(shù)細(xì)胞器通常分布在靠近細(xì)胞基底膜1微米的深度范圍，現(xiàn)有的技術(shù)無(wú)法在高時(shí)空分辨率下看到那么深。如果不能解決這個(gè)問(wèn)題，即使將分辨率刷得再高，也只是一場(chǎng)緣木求魚(yú)的自嗨。精巧的GI-SIM不同。通過(guò)設(shè)計(jì)激發(fā)光的入射角略低于發(fā)生全反射的臨界角，GI-SIM實(shí)現(xiàn)了1微米的觀測(cè)深度，還兼?zhèn)涞凸馄缀凸舛拘?，能?shí)時(shí)無(wú)創(chuàng)地監(jiān)測(cè)活細(xì)胞。
伴隨著人工智能的熱潮，超分辨顯微成像與機(jī)器學(xué)習(xí)融合得熱火朝天。
越來(lái)越多的研究者涌入，使用現(xiàn)有的超分辨圖像與原始圖像訓(xùn)練算法，再將 “學(xué)會(huì)超分辨” 的成熟算法應(yīng)用到原始圖像上，以期處理出 “超分辨圖像”。
可以粗略地想象成，點(diǎn)開(kāi)了手機(jī)里的美圖秀秀，導(dǎo)入一張普通圖片，然后選擇一個(gè)名為 “超分辨” 的濾鏡，算法暗自運(yùn)行，只見(jiàn)屏幕一 “唰”，普通圖片 “脫胎換骨” 成了超分辨圖像。
顯微鏡研發(fā)起家，擁有大量超分辨圖像數(shù)據(jù)的李棟，訓(xùn)練算法本是近水樓臺(tái)先得月，向前沖就是了。但 “加速” 之前，他先 “踩了一腳剎車”，給自己提出了一個(gè)核心問(wèn)題：
雖然深度學(xué)習(xí)降低現(xiàn)有的硬件設(shè)備達(dá)到同等分辨率的代價(jià)，提高效率，但有限的生物圖像訓(xùn)練數(shù)據(jù)、不同的成像條件與復(fù)雜多樣的生物結(jié)構(gòu)……生物學(xué)家究竟能在多大程度上信任算法輸出的結(jié)果？
即使看起來(lái) “清晰” 了，但清晰得究竟是不是準(zhǔn)確？倘若未必保真、可信的結(jié)果被應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，失之毫厘謬以千里。李棟的腦海里閃過(guò)很多問(wèn)號(hào)。
長(zhǎng)久的工程訓(xùn)練塑造了他的思考范式：肯定方向，定位問(wèn)題，量化程度，探索出路。
測(cè)評(píng)了現(xiàn)有的多種超分辨算法，李棟發(fā)現(xiàn)，算法的準(zhǔn)確度與原圖的信噪比、復(fù)雜度，以及要提升的分辨率倍數(shù)息息相關(guān)。換言之，某些不適合的原圖被 “超分辨濾鏡” 強(qiáng)行處理后，有可能誕生一張 “美顏照騙”，也就是偽超分辨圖像，看起來(lái)清晰了，但與真實(shí)情況有所差距。這說(shuō)明單純依靠深度學(xué)習(xí)或者去卷積等算法實(shí)現(xiàn)超分辨成像往往會(huì)帶來(lái)偽信息。
于是，結(jié)合了顯微成像的物理原理——重點(diǎn)關(guān)注衍射極限以外區(qū)域，李棟發(fā)展了一種能 “因材施教” 的深度學(xué)習(xí)超分辨顯微成像算法，先識(shí)別到原圖的高分辨信息，然后加強(qiáng)權(quán)重處理，從而顯著提升高分辨率信息的重建準(zhǔn)確度。
這樣的研究具有雙面優(yōu)勢(shì)，不僅開(kāi)拓了顯微鏡學(xué)者的技術(shù)路徑，還大幅了提高生物學(xué)者的研究效率，畢竟 “算法” 要比厚重、需要調(diào)試、甚至預(yù)約的顯微鏡設(shè)備成本更低、更易得。
就顯微鏡這門強(qiáng)調(diào)工程化的學(xué)科，耕耘設(shè)備、訓(xùn)練算法……朝著 “更高、更快、更強(qiáng)” 大方向前進(jìn)并非隱秘，而是共識(shí)。
在生物學(xué)領(lǐng)域浸潤(rùn)多年，俞立曾與許多顯微鏡學(xué)者合作過(guò)?！耙岳顥潪榇淼膬?yōu)秀學(xué)者們，總是能在里面找到和別人不一樣的地方，比別人更好更快地做出來(lái)?！?俞立說(shuō)。
李棟是公認(rèn)的理想合作者。
雖然沒(méi)有生物學(xué)的學(xué)科背景，但李棟在與不同優(yōu)秀生物學(xué)者的交流中，鍛造了對(duì)生物學(xué)的理解。
他不是那種熱衷社交，自來(lái)熟的外向型性格，日常也喜歡一個(gè)人呆著，但在一些學(xué)術(shù)會(huì)議上，尤其是跨學(xué)科交流會(huì)上，你能很容易看到他的身影。這是他從博士后就養(yǎng)成的習(xí)慣。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副研究員賈順姬就是在一次研討會(huì)上認(rèn)識(shí)李棟的。
彼時(shí)，她的課題組正在進(jìn)行一項(xiàng)研究——高爾基體來(lái)源的SEC14L2小泡參與調(diào)控內(nèi)吞體的分裂過(guò)程?！拔覀兿Ｍ芨忧逦⒖焖俚夭蹲降竭@一動(dòng)態(tài)瞬間。” 恰遇李棟在探討會(huì)上介紹了GI-SIM，這令她眼前一亮，會(huì)后一聊，李棟也對(duì)她的問(wèn)題產(chǎn)生了興趣。
“從問(wèn)題的源頭出發(fā)。” 李棟有一整套合作思路：先要和生物學(xué)家交流，學(xué)習(xí)他們看問(wèn)題的角度和方法，了解對(duì)方關(guān)心的問(wèn)題，遇到的瓶頸，然后思考自己目前的工作與對(duì)方的契合點(diǎn)，再以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，發(fā)展出技術(shù)方案?！?/span>
在中科院生物物理所的食堂里，李棟和他的飯友——中科院感染與免疫重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組長(zhǎng)、研究員高璞就發(fā)掘出一樁 “病毒的秘密”。
作為同期回國(guó)的學(xué)者，他們常聚在一起聊天，一次飯后遛彎時(shí)，高璞提到了自己正在進(jìn)行的研究：一個(gè)名為cGAS-STING的免疫信號(hào)通路，是細(xì)胞抵御病毒的重要戰(zhàn)線，尤其擅長(zhǎng)抵御以皰疹病毒為代表的雙鏈DNA病毒。但狡猾的病毒不會(huì)束手就擒，它們又是怎么反擊的？
在高璞的回憶中，當(dāng)時(shí)李棟聽(tīng)了就很感興趣，并提及團(tuán)隊(duì)的長(zhǎng)時(shí)程、高分辨活細(xì)胞成像技術(shù)應(yīng)該能在細(xì)胞內(nèi)直接觀測(cè)整個(gè)過(guò)程。
于是當(dāng)天，遛著遛著彎他們便直接聊進(jìn)了李棟的實(shí)驗(yàn)室，寫寫畫畫很久…… 再后來(lái)，就是拉上了同所的病毒學(xué)專家鄧紅雨研究員，和學(xué)生們一起推敲細(xì)節(jié)，大干一場(chǎng)。
若是應(yīng)用常規(guī)的觀測(cè)方法，還未等解謎成功，細(xì)胞就死掉了。但借助李棟團(tuán)隊(duì)的小時(shí)量級(jí)三維高時(shí)空分辨成像，他們揭開(kāi)了病毒反抗的策略。
cGAS-STING的免疫信號(hào)通路中，分布在細(xì)胞質(zhì)中天然免疫受體的cGAS像是 “偵察兵”，當(dāng)它識(shí)別、并結(jié)合病毒的雙鏈DNA后，就會(huì)發(fā)生種種連鎖反應(yīng)，激活下游的免疫蛋白，引發(fā)免疫應(yīng)答。
有趣的是，病毒中執(zhí)行反擊的是一大類進(jìn)化遙遠(yuǎn)而結(jié)構(gòu)相關(guān)的間質(zhì)蛋白，它們不直接和 “偵察兵” cGAS起正面沖突，而是巧妙地迂回到DNA上，但也不是依靠DNA親和力和cGAS直接競(jìng)爭(zhēng)DNA，而是通過(guò)相分離機(jī)制與cGAS競(jìng)爭(zhēng)DNA，先破壞cGAS-DNA相分離，然后逐步抽提cGAS-DNA液滴中的DNA，并與之形成自身的相分離聚集，從而實(shí)現(xiàn)免疫逃逸。
2021年5月，研究開(kāi)花結(jié)果，正式發(fā)布。作為首次發(fā)現(xiàn)病原微生物可以調(diào)控宿主細(xì)胞內(nèi)相分離的研究，這項(xiàng)工作不僅發(fā)現(xiàn)了一種新穎的病原-宿主互作機(jī)制，也拓展了人類對(duì)大分子相分離調(diào)控復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)。
俞立教授評(píng)價(jià)這項(xiàng) “漂亮的” 研究。什么是漂亮？技術(shù)有新意，動(dòng)作不繁瑣，解決的問(wèn)題扎實(shí)有用，能以最少的力量揭示出最多的生物學(xué)信息。
對(duì)研究者本身，這也是漂亮的體驗(yàn)。
高璞不僅收獲一個(gè)有意義的科學(xué)問(wèn)題，一場(chǎng)新的智力愉悅，邁出了另一種研究模式的一小步，更激勵(lì)了一種信心。
“更關(guān)注科學(xué)問(wèn)題，需要啥技術(shù)就用啥技術(shù)，（面對(duì)值得研究的問(wèn)題）如果自己不會(huì)就找像李棟和紅雨一樣的專家合作，或者向他們學(xué)習(xí)”，高璞總結(jié)說(shuō)。
這不是稀奇的說(shuō)法，許多資深科學(xué)家都曾提到。這與俞立所說(shuō)，不是做會(huì)做的東西，而是做要做的東西，也是異曲同工。但對(duì)于年輕人，往往知易行難。尤其年輕PI剛獨(dú)立的前幾年，壓力很大，通常會(huì)在擅長(zhǎng)的模式下尋求突破。如何打破慣性使然、充滿誘惑的 “可行性導(dǎo)向”，轉(zhuǎn)向 “問(wèn)題導(dǎo)向”？合作起到了助推作用。
有時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中遇到技術(shù)難題，俞立會(huì)給李棟致電。電話通常能發(fā)揮三方面作用：為一些實(shí)驗(yàn)介紹適合的顯微技術(shù)；或擊碎一些 “假想敵” —— “有時(shí)你覺(jué)得特別難的事情，但在真正做顯微鏡的人看來(lái)，這個(gè)事情太簡(jiǎn)單了，就可以幫你搞定”；又或?qū)⒁恍┨祚R行空的想法落地，找到可執(zhí)行的突破口。當(dāng)然，“電話” 有時(shí)也默默見(jiàn)證了些特別超前、暫時(shí)有些 “不切實(shí)際” 的暢想。
“很多人會(huì)講我做完了什么，正在做什么，（但）每次碰到李棟的時(shí)候，他都在講他的下一個(gè)機(jī)器怎么樣怎么樣。” 回憶與李棟的交往，俞立發(fā)現(xiàn)，這個(gè)搭檔很少談未來(lái)、期望、目標(biāo)這類恢弘的、理想化的大詞，取而代之的是一個(gè)個(gè)具體的問(wèn)題。“一個(gè)謙謙君子。完全不忽悠，基本上他要說(shuō)他能做的，他就能做，他要說(shuō)他不能做的，那就是真不能做。”
同樣的特質(zhì)，也令高璞印象深刻：李棟總能在很短時(shí)間內(nèi)想出解決某個(gè)科學(xué)問(wèn)題所需的技術(shù)，并對(duì)可能的結(jié)果給出靠譜判斷；即使面對(duì)非常得意和看好的技術(shù)，他也從不夸大某個(gè)成像技術(shù)的效果，而是告知合作者可能會(huì)遇到的問(wèn)題及解決辦法。
“雖然給人第一印象經(jīng)常是有點(diǎn) ‘嚴(yán)肅古板’，但在日常相處上，李棟是一個(gè)很平和且有幽默感的同事和朋友?！?高璞說(shuō)。
“我之所以很熱衷地發(fā)展新技術(shù)方法，在于它可以成為生命研究的動(dòng)力，推動(dòng)問(wèn)題解決，研究更進(jìn)一步，而不是我發(fā)明了什么東西，發(fā)一個(gè)很好的的文章，而是確實(shí)幫助生物學(xué)家拓展和提升認(rèn)知生命規(guī)律的維度和精度，做出對(duì)生命科學(xué)研究有益、有效、有影響力的成果?！?李棟期待著，生命科學(xué)可以借助新的技術(shù)方法，從描述性階段，過(guò)渡到物理數(shù)學(xué)一般的定量推導(dǎo)階段。
顯微鏡之于生物學(xué)，可以想象成工業(yè)革命之于現(xiàn)代社會(huì)。300多年前，當(dāng)列文虎克第一次通過(guò)自制的光學(xué)顯微鏡看到細(xì)胞、游動(dòng)的精子時(shí)，微觀世界的大門就此打開(kāi)。
自此以后，技術(shù)的更新一直極大地影響著生物學(xué)家的研究，從只能看到二維的xy維度，到能看到三維的xyz維度，再加上能被熒光蛋白標(biāo)記的顏色維度、長(zhǎng)時(shí)程的t維度、分辨率維度…… 那些靈敏的，能追上技術(shù)風(fēng)潮，并及時(shí)更新自己思考范式的生物學(xué)家，往往能比同行們先行一步。
俞立說(shuō)，他迫切地希望看到李棟這批代表中國(guó)技術(shù)的年輕人，可以盡快將手中的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。
產(chǎn)業(yè)化意味著頂尖的顯微設(shè)備可以批量生產(chǎn)，進(jìn)入有需求、有意愿的院所與企業(yè)。到那時(shí)，尋求合作的一方不必再在技術(shù)組緊密的人手安排與實(shí)驗(yàn)排期里等一個(gè)機(jī)會(huì)，技術(shù)所有者也可以減少重復(fù)性工作、套路化實(shí)驗(yàn)，把時(shí)間精力投入新的研發(fā)，繼續(xù)高速成長(zhǎng)。
2015年左右回國(guó)之初，風(fēng)投就注意到了李棟的工作，但他多次婉拒了這些機(jī)會(huì)。
他有自己的想法。
首先，從原理樣機(jī)到產(chǎn)業(yè)化，并不容易。多次打板，確定原理樣機(jī)，然后經(jīng)歷幾十次合作實(shí)踐的驗(yàn)證，收集用戶反饋，再然后，嘗試幫助合作伙伴遠(yuǎn)程搭建和使用，才算可以考慮工程化轉(zhuǎn)移。
但接下來(lái)，更要系統(tǒng)地鉆研工程化能力：設(shè)計(jì)分模塊，提高模塊的穩(wěn)定性、可靠度，設(shè)想可能出現(xiàn)的種種問(wèn)題，并在說(shuō)明手冊(cè)中提供解決方案，從而使進(jìn)行了遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、甚至國(guó)際運(yùn)輸?shù)姆帜K設(shè)備，在成功抵達(dá)收貨人手中依然保持極高的精密程度。最終，面對(duì)分模塊設(shè)備，收貨人能根據(jù)手冊(cè)指導(dǎo)，自行組裝調(diào)試，成功使用，才算大功告成。
這不是最好的時(shí)機(jī)。他在等，等想法相對(duì)成熟，等自己對(duì)國(guó)內(nèi)行業(yè)更加了解，等把幾條 “有意思” 的技術(shù)路線都嘗試完成……在此之前，要毫無(wú)疑問(wèn)地把100%的精力都放在科研上。
李棟和同事做出的Multi-SIM顯微鏡樣機(jī) | 受訪者供圖
這一等，就到了2020年。
李棟問(wèn)了自己三個(gè)問(wèn)題：第一，開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化，自己有沒(méi)有體系化的打法？不僅是一個(gè)技術(shù)方法的相對(duì)領(lǐng)先，而是已經(jīng)想好第二、第三步，只有這樣才能在高端設(shè)備市場(chǎng)上贏得尊重與認(rèn)可。第二，相比目前最好的廠商們的同類產(chǎn)品，自己的產(chǎn)品有沒(méi)有突出的優(yōu)勢(shì)？第三，開(kāi)始工程化，是否也能保有研究自主性，把握好自己的步調(diào)與節(jié)奏？
三個(gè)問(wèn)題的答案都是 “是”，李棟才開(kāi)始著手技術(shù)工程化和產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)。
生物學(xué)問(wèn)題通常不是驗(yàn)證性的，而是探索性的，仿佛在漆黑的森林里穿行，前往無(wú)人之境。擁有一架優(yōu)秀的顯微鏡，就好像配上一把手電筒，幫助旅人穿透黑暗，照亮前路。
“我不認(rèn)為你會(huì)碰到任何一個(gè)生物學(xué)家，覺(jué)得顯微鏡學(xué)者們的深度加入會(huì)是威脅，完全相反，我們特別歡迎他們進(jìn)來(lái)，生物學(xué)是一個(gè)巨大的問(wèn)題，在他們的工作中，他們一定已經(jīng)積累了非常多有意思的現(xiàn)象，其中牽涉到一些非常專業(yè)的知識(shí)，而我們將會(huì)深刻地理解它們，欣賞它們，這是一個(gè)非常良好的共生關(guān)系?！?俞立解釋道。
李棟辦公室的白板上，有一行妻子留下的小字：“小李加油?。?！” ｜ 徐競(jìng)?cè)?攝
但如果只強(qiáng)調(diào)顯微鏡的重要性，很容易陷入技術(shù)決定論的陷阱。
顯微鏡學(xué)家需要好的生物學(xué)問(wèn)題來(lái)放大、證明自己的技術(shù)影響，生物學(xué)家需要好的顯微鏡，來(lái)幫他們翻越溝坎，抵達(dá)下一座山峰。選擇哪條道路去探索，選擇什么樣的方向，能發(fā)現(xiàn)更多的珍寶，考驗(yàn)眼光。
那不是對(duì)某一具體步驟的選擇，而是對(duì)時(shí)局與趨勢(shì)的把握。要知道目前生物學(xué)最重要的戰(zhàn)場(chǎng)在哪，最需要得到的信息是什么，最大的痛點(diǎn)在哪兒。
“大” 還是 “小”？
是越看越大，從單細(xì)胞層次邁向多細(xì)胞層次，觀察細(xì)胞互動(dòng)，或是生物體整體？還是越看越小，深入到單細(xì)胞的某些局部，走進(jìn)單分子層次，挖掘生物大分子組裝的形式，在特定過(guò)程中的種種作用？
這是兩個(gè)不同的科學(xué)問(wèn)題，分別指向不同的、瞬息萬(wàn)變的風(fēng)景，也對(duì)應(yīng)著不同的技術(shù)路徑，但對(duì)李棟，有一點(diǎn)從未改變，要將所開(kāi)發(fā)技術(shù)真正地應(yīng)用于生命科學(xué)研究，讓生物學(xué)家的研究少一些被技術(shù)掣肘的妥協(xié)，多一些心之所向的從容。
李棟辦公室的白板上，布滿了公式推導(dǎo)的演算，左上的角落里，有妻子寫的一行小字：“小李加油?。?！”
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