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《Light》人物:专访北京大学特聘研究员席鹏

2020-12-08 15:02
吉林
来源:澎湃新闻·澎湃号·湃客
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原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#Light人物8个

招募撰稿人/主笔

《Light》记者 | 孙婷婷

编者按

非常荣幸能邀请到北京大学未来技术学院生物医学工程系副主任、特聘研究员、Light北京办公室负责人、国内业界公认的STED技术领航人——席鹏接受我的采访。席鹏研究员的多种超分辨新技术研究为超分辨显微成像领域带来了技术革新与突破,开展的一系列原创性工作发表在Nature等世界顶级期刊,并受到业界广泛关注和深入报道。同时,他的工作也得到多位诺贝尔奖得主的高度肯定与赞赏。一直以来,席鹏研究员给我的印象是待人温和,如沐春风。工作中认真严谨,踏实耕耘,不断积极进取。

《Light》人物是《Light: Science & Applications》发起的系列高端人物访谈。本期采访,席鹏研究员就光学超分辨显微成像技术相关研究问题进行深入探讨与解答,并给出了如何保持对光学研究的一腔热忱的心得体会以及对光学魅力的独到见解,此外,还向青年科研工作者分享了如何申请项目基金与发表高水平文章的宝贵经验。最后,对Light期刊开展的线上活动与未来发展提出了重要建议。

席鹏 研究员

席鹏,北京大学未来技术学院生物医学工程系副主任,特聘研究员,博士生导师,2003年在上海光学精密机械研究所信息光学实验室获得博士学位,曾在香港科技大学,美国普渡大学,密歇根州立大学就读博士后。主要研究方向包括超分辨显微成像,生物医学光子学,新型显微技术及其在生物医学中的应用等。

在国际上首次提出利用反射-干涉增强STED的分辨率,可同时提升横向和轴向分辨率,利用该方法实现了19nm的分辨率,刷新了STED在生物样品上的分辨率记录。首次提出利用贝塞尔-高斯光束结合的STED,实现了155μm的深层超分辨成像,创造了超分辨的探测深度新纪录。利用逆复用多色量子点实现了高速、高标记密度的超分辨;利用多焦共聚焦实现了三维超分辨;合作开发了适合超分辨的单体荧光蛋白。

曾多次在国家重大科学仪器设备开发专项,科技部重点研发计划等项目中担任课题负责人。担任Focus On Microscopy 组织国际学术顾问,年度显微发明奖Microscopy Innovation Awards的评委,美国光学学会高级会员(Senior Member),中国光学学会生物医学光子学分会常委,美国光学学会成像光学设计技术组组长。2013年获得绿叶生物医药杰出青年学者奖;2016年获得中国光学重要成果奖;2018年获得首届北京市杰出青年基金资助;2020年获得国家杰出青年科学基金项目。发表包括Nature在内的SCI收录期刊论文70余篇,总影响因子高于450,总被引频次超过3000次,已授权美国专利4项,中国专利16项,编辑专著2部。多次被OSA和SPIE组织的国际会议邀请作大会邀请报告。

深度专访

《Light》记者:显微镜的发明将极为丰富的微观世界展现在人类的视野里,并在生命科学和医学研究中扮演了重要角色。超分辨显微成像极大地推动了生命科学的研究,从超分辨图像中提取更多的生物信息同样也成为重要研究课题。您所研究的MEANS技术【】利用光的干涉实现了显微镜三个维度分辨率的同时提升,可以将处于细胞不同层面的精细结构清晰地显示出来。那么MEANS技术对光学系统有哪些要求?目前在生物样品上的分辨率可以达到什么水平?主要应用有哪些方面呢?

席鹏:这是一个非常好的问题。在过去,共聚焦技术可以实现三维扫描成像,但是它的轴向分辨率要比水平分辨率差很多,分别是700nm和200 nm。通过两个焦点在轴向重合产生干涉,可以将700nm压缩到100 nm,这就是4Pi显微技术。但是4Pi显微存在一个很大的问题,那就是两个焦点要在XYZ三个维度上完美重合,导致调节起来非常困难。同时,过去我们的生物样品是夹在一个比较薄的盖玻片和一个比较厚的载玻片之间的,这样夹持样品比较方便。当我们要利用4Pi技术重合两个焦点时,就只能将细胞培养在两片170μm厚的盖玻片之间,造成样品很容易在调节过程中就被压碎了。

为了解决这一问题,我们在2014年开始想到了MEANS显微技术,它的全称是Mirror-enhanced axial narrowing super-resolution (MEANS) microscopy, 在这里,我们将4Pi需要的双物镜+双盖玻片,替换为单物镜+单盖玻片+镜面。通过镜面,我们可以完美地生成一个一模一样的点扩展函数,因此可以实现类似4Pi的轴向分辨率提升6倍。同时,由镜面带来的优势是双方面的:1)镜面使激发光产生干涉增强场,在轴向压缩点扩展函数的同时,使激光功率密度大幅提升,从而我们可以实现非常高分辨率的STED超分辨成像;2)镜面使前向传播和后向传播的荧光均能被探测器捕捉到,从而让信噪比进一步增强。而它对于系统的要求非常简单,只需要一片镜子,就能将共聚焦升级为MEANS,将传统的STED升级为MEANS-STED.

利用这一技术,我们实现了对于细胞核孔内环结构的解析,分辨率达到了19nm,这也是迄今STED技术在生物样品上分辨率的最高纪录。同时,我们也与佐治亚理工学院的Phillip J. Santangelo教授合作,对人类呼吸道合胞体病毒丝状体进行了超分辨成像,利用MEANS-STED超高空间分辨率,实现了对于其蛋白空间分布的超分辨解析。相信未来还会有更多的生物亚细胞结构,可以通过MEANS技术被清晰地成像出来。

席鹏研究员参加Light澳大利亚悉尼办公室揭牌仪式

《Light》记者:传统的荧光各向异性显微成像技术往往只能够观察简单样本的荧光偏振;对于复杂样本,荧光的偏振由于阿贝衍射极限的存在会受到众多荧光团的影响,从而只能观察到平均效果。基于此问题,您提出了一种新的基于偏振偶极子方位角的超分辨技术【】,为超分辨提供了一种全新的维度,您能简要阐述一下该技术的原理以及优势吗?在应用的过程中需要注意哪些问题?您在探索研究荧光显微技术的过程中曾遇到过哪些瓶颈?

席鹏:这个技术的诞生非常偶然。超分辨所要解决的是由于光的波动特性带来的点扩展函数相互重叠的问题。而相互重叠,其实可以从某一个维度上把它们拆分开来。例如,Eric Betzig和William Moerner教授通过时间上把它们先分开,然后各个击破,实现了单分子定位超分辨技术。而Stefan Hell教授实现的STED,则是从光谱进行,通过STED光的调制,使外环的光做受激辐射,以此抑制自发辐射而实现超分辨。因此,我们一直在寻找某一种方法,可以从另一个物理维度将荧光分子区分开来。在2014年,我们关注到了Nature Methods上发表了一篇关于SPoD技术的文章,在其中Walla课题组通过荧光偶极子的激发调制加上稀疏反卷积实现了超分辨。但是,2016年2月,在Nature Methods上发表了一篇Comments,其中就提到偏振带来的额外信息对于超分辨是可有可无的。Walla课题组对此进行了回复,然而他们仅仅是给了间接的证据,证明偏振调制在样品中是广泛存在的,一定能够带来“额外的信息”。

我们当时其实一直在深耕这个领域,因为我们看到,偏振偶极子的方向所携带的信息,比利用偏振能够将不同取向的荧光分子分开的信息更加重要。所以我们开发了Super-resolution Dipole orientation mapping (SDOM)技术,其核心是得到样品的偏振信息,并利用稀疏反卷积进一步实现空间超分辨。这样,我们完美地回答了这一学术争论,因此Nature Methods特别发表了Research Highlight来介绍这一学界关注的问题,以及我们的解决方案。

《Light》记者:光学超分辨显微技术的出现,有效打破了衍射极限的束缚。其中受激辐射淬灭显微术(STED)以其直接并快速提供超分辨结果的特性,备受生物研究者的青睐,然而,这一技术存在一定的弊端,由于需要高淬灭光强来限制激发范围,因此难以用于活细胞成像。2017年,您在《Nature》上发表的一篇文章有效解决了这一问题【】,成为光学超分辨显微研究领域的重要突破,您这项工作的主要研究思路是什么?这一技术突破会给超分辨显微领域带来怎样的机遇?

席鹏:STED是我接触的第一个超分辨技术,它对于物理学家而言,也是最直观的技术。同时,由于它的物理过程更为直观,不需要借助图像重构就能得到超分辨图像,因此作为一种无伪影、直观的超分辨技术而备受关注。但是,它的实现需要将自发辐射转为受激辐射,因此需要极大的光强,而这也制约了它的广泛应用。

我们一直在寻找一些能够实现低功率STED的染料。这一染料的本质,是能够实现更低功率的受激辐射,也就是激光增益介质。2009年,澳大利亚的金大勇教授来拜访我,我们俩2006年就在普渡大学相识。我们想到,由于上转换纳米粒子(UCNP)具有丰富的能级,因此具备“曲线救国”的潜力;进一步,上转换纳米粒子在实现受激辐射方面具有独特的优势。通过研究,我们成功地突破了上转换纳米粒子的“浓度猝灭”效应,使其光强增加了70倍以上,这一工作发表在Nature Nanotechnology 2013【】;而且上转换纳米粒子的寿命比有机染料高5-6个数量级,使其更易于实现受激辐射(Nature Photonics 2014【】)。通过高掺杂UCNP,我们利用30mW的近红外光,就可以“四两拨千斤”,使STED分辨率提高到波长的1/36,达到28nm。

这一技术对于超分辨的影响是两方面的。从对外的角度,这一技术使得STED超分辨能够有望在类似共聚焦激发功率的“温和”功率下实现;从对内的方面,仍有很多特性可以挖掘,以及很多性能需要优化。我们应当看到,目前包括UCNP在内的无机纳米材料制备的染料都无法很好地实现亚细胞器的特异性标记,而这也是我们未来要努力的方向。

利用上转换纳米粒子的交叉驰豫实现光子雪崩效应,实现STED低功率超分辨。

《Light》记者:谈及光学的最初学习,您曾经这样描述:“光学是看得见摸得着的东西,越研究就会越喜欢”。确实如您所说,光的很多现象都可以直观地从自然界真切地感受到,光的应用也已经深入渗透到我们的日常生活中。我们很想知道,您是如何长久保持对光学研究的一腔热忱?又是如何理解光学的魅力?

席鹏:我很幸运自己从本科就开始学习光学。这门学科很容易让人着迷,我随便举两点:1.太阳光的照明带来了世界万物的繁荣;2.大脑所获取的信息,有80%以上是由眼睛成像所带来的。因此,就像所有容易让人着迷的游戏一样,光学具有两个鲜明的特色:首先,它对于初学者很友好,你能够通过几何光学、身边的光学应用解决80%的问题;其次,它具有足够的深度,越深入钻研,越能有“柳暗花明又一村”的新感觉。所以,我每周都会有独立的时间来研读一些新的论文;同时,跟学生们讨论如何将其中的idea消化吸收,和我们的技术产生共鸣,形成解决某个问题的奇思妙想,这些是我从中源源不断的寻找到乐趣的原因。

《Light》记者:我们知道,您的超分辨率显微成像获得了2020年全国杰出青年科学基金项目,从光场调控和探测技术出发,围绕空间分辨率、时间分辨率、偶极子方位角等不同方面,发展了一系列新型超分辨技术。从水平、轴向、时间、角度等不同方向大幅提升了超分辨的成像性能,取得了一系列有国际影响力的原创性成果。您能介绍一下主要有哪些突破性进展吗?目前,很多青年科研工作者可能都面临申请项目基金与发表高水平论文等压力,您在这两方面都是资深行家,能分享一下您的宝贵经验吗?或者给青年科研工作者一些寄语。

席鹏:非常感谢你提出的宝贵问题。我个人的一些主要成果前面已经讲过一部分,概括起来,就是我们看到一个问题,会首先回到它的根源去想,比如STED需要很强的光强,为什么?因为它需要有足够的光功率密度产生受激辐射。所以我们给出两方面的答案,一个是镜面干涉,一个是上转换交叉驰豫。从探测技术方面,我们认真研究了偏振调制成像、结构光照明成像、无透镜成像等技术,并提出了一系列的新探测成像技术。我们也不断地在探针、生物应用等方面展开广泛合作,让我们的技术能够找到极佳的应用,展示其独特的魅力。

谈到论文和基金,我在这方面远远谈不上行家,也是在不断地摸着石头过河。以我的经验来看,其实无论对于基金申请还是发表论文,有的时候站在对面的角度看问题,可能能够看出一些自己以往没有发现的地方。比如,我们在论文发表过程中,既当过作者,也当过审稿人,或者有人当过编辑。那么,当你是作者时,尝试从审稿人的角度来看自己的稿子,想一想如果你是审稿人,你会怎么看这篇稿子?对于一篇文章,我们作者总是像是文章的亲生父母,对于自己的孩子有偏爱之心,有时候投稿对于期刊的估计,也会不自觉地高估;而对于自己文章所解决的问题、展示的深度,则不愿意苛责自己。这时候,虽然编辑和审稿人会提出尖锐的问题,有时候把我们驳得体无完肤,但是这一体系,毫无疑问对于论文质量的把控起到了关键的积极作用。

假如作者自己可以设想自己为编辑或者审稿人,从他们的角度去看自己的逻辑、写作、图表、参考文献,则有时候能够发现一些不容易发现的问题。

同样的原理也适用于基金申请。而且,基金申请环节中,评审人只提最终意见,不进行审稿式的意见-回复。在这种情况下,更要精益求精,让自己的申请书无懈可击。

以及,我自己在北京大学复建工学院的过程中,担任了多门课程的建设工作。很多人都说,年轻人上课会分散精力;但我觉得这要因人而异。我比较相信教学相长,特别是费曼就曾经说过,“想要真正弄懂一个问题,最简单的方式就是把它教给别人。”通过费曼学习法,我逐渐能够将深奥的道理以浅显的形式讲出来,从而启发学生触类旁通;而通过与学生交流互动,我也能进一步收获到更多新的思想。教学也为我做科研讲座奠定了良好的基础,从而使我能够有更多机会进行邀请报告,而坐在台下的,有不少可能是我未来文章或基金的评审人。认真对待每一堂课、每一次讲座,以及每一篇投稿、每一份申请书,是我成功的一大秘籍。

席鹏研究员在实验室

《Light》记者:Light期刊已连续六年稳居世界光学期刊榜三甲,您作为Light北京办公室负责人,一路见证了Light的成长与辉煌。由于疫情原因,今年的Light线下会议与活动无法举办,但Light没有停止探索与进取的脚步,利用新媒体技术开辟了新的学术交流互动途径,推出的Light在线公开课/论坛/微会议、Light 人物、未来之星评选等线上活动。我们也曾有幸邀请您作为Light在线第二场公开课的主讲嘉宾,在线分享光场调控超分辨显微技术的报告,反响十分热烈,能谈一下您作为报告嘉宾对Light直播公开课的感受和体会吗?您认为Light推出的线上活动会对优秀科研成果的传播起到哪些促进作用?关于期刊的宣传与发展,我们在哪些方面仍需努力和提升呢?

席鹏:这是一次非常成功的线上公开课【⏬】!在过去,我们的讲座一般都是线下举办。今年由于疫情,线上直播变得流行起来。我发现一个重要的特点就是,线上直播可以突破空间和时间的限制。在过去,我们只能在一个大会场举办报告,一般能容纳上千人,已经是海量规模的会议室了,我们还需要担心后排能否看到听清的问题。而今年我的线上公开课,轻松容纳了4000多位听众。即便时间冲突无法参加直播,听众也可以观看回放,这样又能形成更广泛的受众群体。我认为Light公开课无论从形式还是内容上,都起到了非常积极的宣传作用。

从根本上,我认为期刊就是一个服务科学家的平台,使科学家能够在这里产生更广泛的交流。因此,Light所推出的一系列活动,如线上公开课、Light青年群、微信公众号、以及线下的Light会议系列、Rising Star评选,到期刊的每一个栏目的创办,都是在搭建不同的平台来让科学家群体能够交流、展示、宣传自己的成果,并启发新知、促进合作与友谊,从而推进光学事业的发展。我相信随着更多的科学家参与到Light当中,我们的Light将会越办越好!

席鹏研究员受邀做Light在线分享报告

《Light》记者:科学研究的道路注定不会是平坦的,人生亦是如此,当遇到困难或压力的时候,您一般会采用什么样的方式来放松自己呢?除了科研工作,您平时有哪些兴趣爱好?又是如何平衡好工作与生活呢?

席鹏:我的兴趣主要是看科幻,包括小说和电影、连续剧。我发现,当你自己绞尽脑汁、思想枯竭时,可以去看看小说家的作品,在这里他们往往是基于物理、又不受物理约束地进行创作。这种对未来肆无忌惮的前瞻性,能够让人非常放松,同时又能启发手上的科研工作。

我也经常在作报告时总结,成像技术的发展不外乎四个词:清(晰)、快(速)、深(层)、活(体)。它们的关系如下图所示,一个是空间上的从小到大(清晰-深层),一个是时间上的从小到大(快速-活体)。我希望我们所有光学成像的研究者,在科研上能做到“清快深活”,在生活上能做到轻快生活。谢谢大家!

成像技术的主要发展方向

参考文献

1. Yang, X., Xie, H., Alonas, E. et al. Mirror-enhanced super-resolution microscopy. Light Sci Appl 5, e16134 (2016).

2. Zhanghao, K., Chen, L., Yang, XS. et al. Super-resolution dipole orientation mapping via polarization demodulation. Light Sci Appl 5, e16166 (2016).

3. Liu, Y., Lu, Y., Yang, X. et al. Amplified stimulated emission in upconversion nanoparticles for super-resolution nanoscopy. Nature 543, 229-233(2017).

4. Zhao, J., Jin, D., Schartner, E. et al. Single-nanocrystal sensitivity achieved by enhanced upconversion luminescence. Nature Nanotech 8, 729–734 (2013).

5. Lu, Y., Zhao, J., Zhang, R. et al. Tunable lifetime multiplexing using luminescent nanocrystals.Nature Photon 8, 32–36 (2014).

《Light记者》介绍

孙婷婷,工学博士,现就职于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(长春光机所)Light学术出版中心,卓越计划领军期刊《 Light: Science & Applications》科学编辑,《Light》子刊《eLight》创刊主编助理,中国科学院国际合作局联合培养高级人才,来自科研一线,具有深厚的科研背景,曾作为项目负责人主持两项科研课题,并参与多项重要科研项目,曾发表多篇SCI、EI学术论文,申请国家发明专利两项。

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原标题:《《Light》人物:专访北京大学特聘研究员席鹏》

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