□ 徐芳芳

席鵬在實驗室

1670年代，荷蘭代爾夫特市市政廳的一位看門人，向英國皇家學會郵寄了一封他自己的研究報告，報告中寫到“大量難以相信的各種不同的極小的‘狄爾肯’……它們活動相當優(yōu)美，它們來回地轉動，也向前和向一旁轉動……”，這份報告轟動了英國學術界?！暗覡柨稀笔抢∥腄ierken的譯音，意即細小活潑的物體，就是我們今天所說的微生物，這是它第一次走入人類的視線。這一重大發(fā)現(xiàn)也使這位看門人成為英國皇家學會的會員，他就是荷蘭顯微鏡學家、微生物學的開拓者安東尼·列文虎克。

顯微鏡無疑是人類各個時期最偉大的發(fā)明物之一，通過列文虎克的研究，它把一個全新的世界展現(xiàn)在人類的視野里，并在生命科學和醫(yī)學研究中扮演了重要角色。然而，由光學的波動性帶來的衍射極限導致顯微鏡分辨率無法提升的限制，也猶如懸在頭頂?shù)摹斑_摩克利斯之劍”一般，限制了人類對于微觀世界的進一步探索。數(shù)百年后，來自德國馬克斯·普朗克生物物理化學研究所的斯蒂芬·赫爾研制出了超分辨熒光成像技術（以下簡稱“STED”），成功突破這一限制，為生命科學研究帶來全新的觀察尺度，他本人也因此榮獲了2014年諾貝爾化學獎。

而斯蒂芬·赫爾的獲獎也使得北京大學工學院的席鵬異常興奮，因為他在2009年曾有幸追隨斯蒂芬·赫爾學習STED技術，并于2010年在中國建立了首套STED超分辨系統(tǒng)。多年以來，席鵬一直孜孜不倦地從事著STED的研究及應用工作，積極思考這項新型超分辨技術在活細胞應用中所面臨的問題。如今他在這一方面的研究也取得了不俗的成績，成為國內(nèi)公認的STED技術領航人。2018年12月，北京首屆杰出青年科學基金項目名單公布，席鵬主持的“單細菌超分辨率成像與基因組測序”項目成功入選。談及感受時，剛剛年滿40的他輕描淡寫地回答道：“一切都剛剛好。”該基金項目要求申請者具有一個國際化的科研團隊，能夠解決北京市的一個有挑戰(zhàn)性的問題，且申請者年齡在40歲以下。而能夠實現(xiàn)這個“剛剛好”，正是席鵬多年來不懈努力的結果。

多年耕耘 不負青春

來自山西朔州的席鵬，本科時曾就讀于山西大學電子信息工程系，正是在這里他初次接觸到了光學，并被其獨特的魅力所吸引。談及光學的最初學習，他這樣描述：“光學是看得見摸得著的東西，越研究你就會越喜歡?！贝_如他所說，光的很多現(xiàn)象都可以直觀地從自然界真真切切地感受到，譬如光纖入戶、大容量的光盤儲存、激光筆等，光的應用在日常生活中越來越常見。

如果說興趣是最好的老師，那么熱愛就是強勁的動力之源。憑借對光學的無比熱愛，四年中席鵬一直刻苦鉆研并取得了優(yōu)異的成績，得到了老師們的一致認可，畢業(yè)時他順利地被保送到中國科學院上海光學精密機械研究所，在信息光學實驗室跟隨周常河導師學習，取得了博士學位。期間，他和導師進行了一些光學方面純理論性的研究，也利用大規(guī)模集成電路的制作工藝，制作了一些光的分束器件，如遠場的達曼光柵等。特別是其制作的六角形分束的光柵，與傳統(tǒng)正交二維光柵相比，效率要高出很多。這也為他進一步研究光學奠定了基礎。

科研的道路永無止境。博士畢業(yè)后的席鵬在導師的推薦下來到香港科技大學電子工程系從事博士后研究工作。但這次的研究與以往不同，他開始將光學應用于生命科學研究，例如宮頸癌的良惡性分析。通過獲取細胞組織的層析信號，利用自發(fā)熒光的光譜去分析癌癥的良惡性。這種利用光學研究疾病的經(jīng)歷，讓席鵬再次領略了光學應用的神奇之處。一年后，他又前往美國普渡大學、密歇根州立大學，繼續(xù)從事相關的博士后研究工作。國外工作的經(jīng)歷開闊了他的眼界，也為他日后的研究帶來了啟發(fā)。從本科的入門學習到博士后的深入研究，10多年來，在光學及其應用方面持之以恒地鉆研填充了席鵬風華正茂的青春。

圓夢北大 科研再上高峰

機會總是垂青于有準備的人。2009年，北京大學工程院生物醫(yī)學工程系正值發(fā)展壯大階段，亟須高級專業(yè)人才。系主任任秋實教授曾與席鵬共事兩年，深知他在光學及其應用方面的科研能力，于是向他發(fā)出了邀請。北京大學作為中國頂尖的高等學府之一，曾是無數(shù)學子心目中最向往的大學。少年時代的席鵬也不例外，北京大學曾是他高考的第一志愿，雖然當年與其失之交臂，但他心里一直有個北大夢。如今面對一個圓夢的機會，席鵬毫不猶豫地答應了，并以特聘研究員的身份來到了這一全新的平臺，繼續(xù)研究超分辨顯微成像、生物醫(yī)學光子學以及新型顯微技術及其在生物醫(yī)學中的應用。幾年來，他和他的團隊也取得了可喜的成績。

譬如，低功率S T E D超分辨的實現(xiàn)，就是席鵬及其團隊的重要成果之一。該成果曾被諾貝爾獎得主、斯坦福大學朱棣文教授等在2018年9月Nature Photonics上發(fā)表的研究論文中高度評價：“雖然單顆粒成像非常重要，研究單個UCNP的光學特性的工作目前僅有極少數(shù)?！盨TED（Stimulated emission depletion）技術，即受激輻射光損耗。傳統(tǒng)的光學成像系統(tǒng)的分辨率受到系統(tǒng)點擴展函數(shù)大小的限制。STED通過在原熒光的激發(fā)焦點附近形成環(huán)狀受激輻射，從而抑制熒光自發(fā)輻射，使得熒光點擴展函數(shù)周圍被“擦除”而縮小，因此實現(xiàn)了超分辨。這一技術由于無需數(shù)學重構，不會造成圖像重構假象而受到生物學家的廣泛重視。然而，STED技術的主要應用也有局限，即它需要在亞細胞尺度的微區(qū)內(nèi)形成受激輻射，因此所需的功率太高，無法實現(xiàn)長時間活細胞成像。

為了解決這一關鍵問題，席鵬首先將稀土納米粒子上轉換效應引入STED，實現(xiàn)了在30m W的低功率連續(xù)光照射下，28nm的超分辨顯微。這一低功率超高分辨率技術將有助于揭示細胞在不同生命周期中的結構與功能變化、病毒入侵細胞的過程等。同時，由于上轉換納米粒子采用近紅外光實現(xiàn)激發(fā)，使其可以在深層組織上實現(xiàn)三維超分辨。同時，為了實現(xiàn)不增加光強下的分辨率提升，席鵬及其團隊將激光原理中的鏡面反射駐波技術用于STED，實現(xiàn)了6倍的軸向分辨率和2倍水平分辨率的提升。利用這一技術，席鵬他們實現(xiàn)了對細胞核孔內(nèi)層的挑戰(zhàn)性突破，得到了19nm的分辨率，首次觀察到了細胞核孔的內(nèi)層精細結構和人類呼吸道合胞體病毒的核膜結構。這一技術創(chuàng)造了STED在生物樣品中的分辨率新紀錄。該工作已于2016年被Nature Photonics的主編Oliver Gradon以研究亮點形式進行報道，其中提到“本方法的一大優(yōu)點是提升分辨率而不需增加光強，因為增加光強有可能對生物樣本造成損傷”。

同樣以研究亮點形式報道的還有席鵬及其團隊提出的偶極子方位角超分辨，這一研究開辟了超分辨新維度。熒光超分辨成像的核心是，通過物理或者化學的方法將熒光分子區(qū)別開來，“繞開”衍射極限的限制。這就需要讓熒光產(chǎn)生不同的輻射（如自發(fā)輻射和受激輻射），或者產(chǎn)生閃爍特性（時間分辨）。席鵬及其團隊發(fā)現(xiàn)，由于熒光激發(fā)具有偶極子特性，因此確定偶極子方位角可以確定其所標記的生物蛋白的排布方向，從而可以得到另一維度的超分辨。通過對偶極子方位角進行旋轉偏振激發(fā)與重建，席鵬提出并實現(xiàn)了熒光偶極子方位角超分辨SDOM。該方法能夠區(qū)分兩個相鄰且同時發(fā)光的熒光分子的偶極子角度，從而開辟了超分辨的一個新維度。2016年Nature Methods以研究亮點形式對該項研究工作進行了報道，其中寫道：“SDOM代表了一種非常令人振奮的方法，通過研究生物分子的角度來實現(xiàn)超分辨。”

精誠合作 共同成長

近幾年來，席鵬在超分辨顯微成像領域開展了一系列原創(chuàng)性的工作，通過不同形式的光場調(diào)控，結合納米熒光染料，發(fā)展了多種超分辨的新技術。其相關工作在Nature、Light: Sci. Appl.等期刊發(fā)表，并得到了包括Science、Nature Photonics、Nature Methods等期刊的引用和深入報道。同時，他的工作也得到多位諾貝爾獎得主如Eric Betzig、Stefan Hell、William Moerner、朱棣文、錢永健等人的引用與肯定。這些表明了席鵬的相關研究工作已經(jīng)得到了國際與國內(nèi)光學及顯微成像領域專家的廣泛認可。而這背后也離不開其科研團隊及其合作者的有力支持。

談及研究團隊，席鵬用“小而精”來形容。2名博士后、6名博士生、2名碩士生共同組成了這支科研團隊。人雖不多但經(jīng)常能夠做出一些比較有震撼性的成果，這離不開席鵬的正確引導也離不開高素質(zhì)的團隊成員?！氨贝笥泻芎玫膶W生，你只要稍微花點工夫在他們身上，他們就可以產(chǎn)生出非常棒的想法，彼此碰撞共鳴，產(chǎn)生更好的結果。”席鵬欣慰地說。作為高校教師，席鵬每周都會給本科生、研究生上課。他尤其注重培養(yǎng)學生們看問題的方法和扎實的基礎學習，他認為：“有一個好的基礎，以后你去研究什么問題都會豁然開朗?！庇龅降鬃酉鄬Ρ∪醯膶W生，席鵬都會推薦一些專業(yè)書籍，使其將知識方面的缺口補上，為進一步地學習和研究做好充分的準備。

在科技高速發(fā)展的今天，與傳統(tǒng)死記硬背的學習相比，席鵬在教學上更注重讓學生們上手體會加深理解。譬如，在講生物醫(yī)學信號處理的卷積以及傅立葉變換時，他會讓學生們在筆記本電腦上輸入相關代碼，這樣可即時地通過電腦看到相應的圖像以及響應的過程。利用計算機進行模擬并向學生們演示相關概念，不僅節(jié)約時間，也能加深理解，讓學生們從中受到啟發(fā)。

團隊合影

現(xiàn)代科研中，經(jīng)常會需要多個研究學者的精誠合作來共同完成一個科研項目。尤其在北京大學這一優(yōu)秀平臺上，隨著中國科研條件的不斷增強，資源整合也變得越來越容易，很多時候都是一拍即合。曾榮獲2015年澳大利亞國家級科研最高獎尤里卡獎的悉尼科技大學的金大勇教授，就是席鵬多年的合作伙伴之一。在席鵬課題組與金大勇課題組十幾年的合作中，共同取得了一系列成果：實現(xiàn)了單個細菌靈敏度的超高靈敏檢測，實現(xiàn)了壽命可調(diào)控的上轉換納米粒子，利用超分辨實現(xiàn)了28nm的分辨率等。在剛剛入選的北京杰出青年科學基金項目中，席鵬、金大勇將與北京大學生命學院白凡研究員一起，從具有高靈敏探測、超分辨顯微、單細胞測序三個方向展開研究，一同挑戰(zhàn)細菌抗生素耐藥性的生成機制這一世界難題。特別是在北京這座超級城市，密集的人口更便于細菌的傳播，抗生素雖然消滅了細菌的主力軍，但也催生了超級細菌。席鵬及其合作者下一步的研究將為新世紀對抗細菌的戰(zhàn)爭提供新的研究技術與工具。

共聚焦三維皮膚成像系統(tǒng)樣機

在科研轉化方面，席鵬已與北京協(xié)同創(chuàng)新研究院合作，成功開發(fā)了國際先進的共聚焦三維皮膚成像系統(tǒng)和便攜式皮膚交叉偏振成像系統(tǒng)。他們將最前沿的生物醫(yī)學光子學成像技術引入在體成像中，實現(xiàn)無損影像診斷與精準診療，他們期望這些技術在不久的將來可以實現(xiàn)市場化，早日服務于醫(yī)學界。

成功沒有偶然，它是“天時、地利、人和”的精妙組合，更是多年付出的水到渠成。從事著自己熱愛的職業(yè)，和志同道合的伙伴共同拼搏。對于未來，席鵬信心滿滿，他說：“我將在這一領域鉆研下去，再接再厲，攀登下一座科研高峰。