李棟：突破0.0000001米解析度，深入鏡片下的微觀宇宙

2019年1月21日，《麻省理工科技評論》公布了2018年「35歲以下創新35人」（Innovators Under 35 China）中國區榜單。從榜單中，我們看到更多中國創新科研力量的崛起，也看到跨學科、跨領域、並且對落地應用有更強烈企圖心與使命感的科研創新，這其中涵蓋人工智慧研究與應用、NLP、腦科學、新材料、新能源、生命科學、生物科技、自動駕駛等多個不同領域。我們將陸續發出對35位獲獎者的獨家專訪，介紹他們的科技創新成果與經驗，以及他們對科技趨勢的理解與判斷。

關於Innovators Under 35 China榜單

自 1999 年起，《麻省理工科技評論》每年都會推出「35歲以下創新35人」（Innovators Under 35 China）榜單，旨在於全球範圍內評選出被認為最有才華、最具創新精神，以及最有可能改變世界的 35 位年輕技術創新者或企業家，共分為發明家、創業家、遠見者、人文關懷者及先鋒者五類。2017年，該榜單正式推出中國區評選，遴選中國籍的青年科技創新者。新一屆榜單正在徵集提名與報名，截止時間2019年5月31日。詳情請見文末。

「Seeing is Believing（眼見為實）」一直是整個科研界崇尚的信條，尤其是生物醫學領域，這一信條一直作為檢驗真理的標準，但礙於技術層面的障礙，我們沒法直觀地觀測許多複雜但又重要的分子機制，這導致很多的分子生物機制研究一直停留在理論階段。「眼見為實」這一信條也深深刻在李棟心裡，為了突破傳統結構光顯微鏡技術100納米解析度極限，實現活細胞超分辨成像，他進行了許多開創性的研究。

李棟最早在浙江大學光電信息工程學系接觸到生物光學成像這一新興的交叉學科，在本科求學期間他對光學工程學科產生了濃厚的興趣，且在本科學習期間對光學相干層析成像系統的色散補償提出了新的解決方案，並獲得了中國發明專利。隨後進入香港科技大學瞿佳男教授實驗室進行博士研究，這使他在光學顯微成像系統的開發上得到了系統訓練，其中囊括了從理論到工程，從硬體到軟體的詳盡學習。

在博士學習期間李棟在光學工程領域多個一流期刊發表16篇文章並被香港科學會授予2011年度香港青年科學家獎，為工程科學領域唯一獲獎人。博士畢業後，他師從因發明超分辨熒光顯微鏡技術而獲2014年諾貝爾化學獎的Eric Betzig博士，進行了多項極具創新性的光學顯微鏡的開發工作。

首先，李棟意識到雖然當時已有多種技術可以突破衍射極限，達到200納米以下的解析度，但這些技術為得到超分辨圖像需要數十秒到數小時的採集時間，同時需要比太陽光強高十萬倍以上的照明強度。這導致成像速度慢且對活體樣品傷害大，因此所獲得的超分辨圖像往往帶有偽信息。

為了解決這一技術難題並實現解析度上新的突破，他系統分析了現有三類超解析度顯微鏡技術在不同成像要求下的優劣，並首次提出超解析度顯微鏡的光學傳遞函數透過率，熒光光子利用效率，激發光照明光強應作為衡量該技術活體成像性能的關鍵參數，並對不同的超解析度技術給出了相關參數的理論推導及數值計算，從中發現結構光照明顯微鏡（SIM）是目前最適於開展活體成像的技術，但SIM也存在一個十分巨大的缺陷：其無法突破100納米的解析度。為了實現在保持SIM活體成像優勢條件下進一步提高解析度這一目標，李棟首創基於結構光激活，結構光激發照明模式的非線性結構光照明顯微鏡（Nonlinear SIM），這一結果被刊登於2015年Science封面，並被Nature Methods評議：「這一工作是最終實現分子水平解析度下觀測生命過程的重要一步，並讓科學家們認識到在無損條件下實現活體成像的重要性。」

觀測各種細胞器和細胞骨架是如何協同互作，需要成像系統在高速、高辨率下對活體標本進行長時程成像，這需要滿足看似矛盾的苛刻成像條件。為此，李棟率領其團隊發展了掠入射照明結構光超分辨顯微鏡技術（Grazing Incidence Structured Illumination Microscopy, GI-SIM）。GI-SIM能夠在97納米解析度和266幅每秒成像速度下對活細胞樣品連續進行幾千幅超分辨成像，與先前開發的全內反射結構光照明超分辨成像技術相比，GI-SIM的成像深度以及所產生的信號量都提高了10倍；與傳統共聚焦或轉盤共聚焦顯微鏡相比，GI-SIM可提供2倍更高的空間解析度以及10倍更快的成像速度；與其它超分辨成像技術相比，在細胞尺寸的視場範圍下，GI-SIM可提供~10倍更快的成像速度，以及10-100倍更長的成像時程。GI-SIM實現了對細胞內多種細胞器動態的最優化二維超分辨成像。

圖 | 使用GI-SIM技術同時觀察5中不同種類的細胞器，綠色為線粒體內脊，紅色為線粒體DNA，黃色為溶酶體，紫色為內質網，藍色為過氧化物酶體。（圖片來源：李棟）

李棟表示，「要實現科研上的巨大突破必須具備兩大因素。首先要在技術發展的前沿基礎上提出有前瞻性且現階段切實可行的好想法；其次是有靠譜高效的落地團隊。」

而在談及創新的真正意義以及對我國科學進步的看法時，李棟表示，對他而言，技術創新的意義是幫助人類拓展自己的能力，從而更好地認識自我。顯微鏡的技術發展歷程和意義很好地詮釋了這一點。身為科研工作者，他希望他的工作能夠推動中國在高端顯微鏡技術領域的發展乃至產業升級，建立中國自主核心技術，助力生命科學和醫學研究，為人類健康產生實質的正向作用。

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