从抚顺二中走出的青年物理学家宗伟健[纪念抚顺二中建校100周年专辑]（学子篇59）

斯阳

从抚顺二中走出的青年物理学家宗伟健（46）

文/依长洪

宗伟健，1989年生于抚顺，2005年至2008年就读于抚顺二中。2012年获北京大学学士学位，2017年于军事医学科学院获病理与病理生理学博士学位，2017年起任学院基础医学研究所助理研究员。在5年的博士生涯中，宗伟健非常出色地完成课题，并为显微成像领域贡献了至少三项具有国际水平的成果。通过不断研发新技物学问题紧密结合，宗伟健已经成为国内甚至国际上最为优秀的显微成像技术研究持续为生物学家提供着革新的工具并使得我国在多项显微成像技术上取得了世界竞争力。2017获得“贝时璋青年生物物理学家奖”。

由于科研成果丰硕，宗伟健曾获军事医学科院优秀博士毕业论文，为2017“中国科学十大进展"主要发明人国光学十大进展“第一完成人。作为国际级重要科技发明的微型双光子荧光显微是宗伟健主抓研发的，且宗伟健拥有其专利权，2018年的五四青年节期间，作为科学的最新科研成果迎接习总书记检阅。

在5 年的博士生涯中，宗伟健非常出色地完成了他的研究课题，并为显微成像领域贡献了至少三项具有国际水平的成果。

1. 发明新型全内反射显微镜（多角度无影照明全内反射显微镜），为研究囊泡运输与胞吞机制提供了独特的超分辨率工具。囊泡的运输以及细胞胞吞机制一直是细胞分泌与代谢领域的重点研究内容，是研究大脑功能与神经递质传递，糖尿病成因与治疗方案等过程中的核心问题之一。由于囊泡的直径只有几十到几百纳米，分泌的时程只在几十到几百毫秒，生物学家必须使用全内反射显微成像来实现对囊泡分泌的成像。然而，传统的全内反射显微镜存在两个最大的缺点：其一是由于全内反射的物理本质，一般只能实现细胞与玻片贴附的百纳米左右的深度成像，并不具有纵向的分层成像能力；其二是由于全内反射对样本均一度要求极高，普通全内反射显微成像存在样本照明不均一的缺陷。这两点都大大限制了其实际应用。针对这两大缺陷，宗伟健在博士一年级即发明了“多角度无影照明全内反射显微镜 (shadowless-illuminated variable-angle TIRF, siva-TIRF)" (Biomedical Optics Express, 2015)，其利用高速微镜阵列（DMD）器件对入射照明光实现了精确的调控，可以同时从六个不同方向照射样本，并通过精密计算控制，对入射光倏逝波深度进行亚毫秒、纳米级的调控。再通过后期计算重构，实现了纵向分辨率100 纳米，成像深度5 微米的高速荧光成像。宗伟健在与陈良怡课题组的合作中，利用该技术实现了对细胞骨架推动囊泡运输及分泌过程的高分辨率观测，对解释“Diacylglycerol Guides the Hopping of Clathrin-Coated Pits alongMicrotubules for Exo-Endocytosis Coupling" (Cell Dev Cell, 2015) 起到了关键作用。该工作在2014 年发过巴黎举办的第一届国际全内反射显微镜进行了汇报，后被全内反射显微镜发明人Alexrod 称为“今后全内反射显微镜的标准模式”。

2. 发明新型光片显微镜，首次追踪了活体斑马鱼胰岛的发育过程；首次实现了小鼠胚胎（E8~E10）心脏发育的三维长时程成像及单细胞谱系追踪。荧光光片显微镜是近几年来荧光成像领域最重要的发明之一，被《自然-方法学》杂志评为2014 年的年度方法。其主要优点为光漂白效应低、纵向分辨率高以及成像速度快。光片显微镜可用于胚胎发育的长时程成像，小动物神经高速三维成像等领域。然而，传统的光片显微镜有两个最大的技术瓶颈难以克服。其一为成像深度的限制：由于光片显微镜为面探测成像，与点扫描相比极易受到光散射的影响，所以传统的光片显微镜在成像深度上受到了极大的限制。其二为光片厚度（即纵向分辨率）与成像视野的矛盾：由于传统光片显微镜通常选取激光光束光腰部分作为照明光片。而为了足够的纵向分辨率，必须提高聚焦数值孔径，从而导致成像视野下降。所以，如何在大视场下实现高纵轴分辨率一直是光片显微镜难以解决的难题之一。针对这两个问题，宗伟健在博士期间发明了“三轴扫描双光子光片显微镜 (two-photon, three-axial, digital scan light-sheetmicroscopy,2P3A-DSLM)" (Cell Research, 2015)。该技术利用双光子激发代替单光子激发。由于双光子激发使用红外波段激光，穿透深度更深，散射更小；又由于其非线性激发效应，使得该技术实现了比传统光片显微镜更深的穿透深度。该技术又创新地使用了超高速声光可变焦透镜，对高数孔径聚焦后的焦点在轴向扫描成线，并利用另外两套共轭扫描反射镜将其扫描成光片平面。该技术可以通过程序控制任意改变光片视场，并保证亚微米的光片厚度不随之变化，最终实现了400 微米×400 微米×400 微米的成像视野和800 纳米的纵向分辨率。这是当时世界上在相同视场范围下纵轴分辨率最高的光片三维成像，该技术在第一届和第二届国际荧光光片显微成像大会上被邀请进行了报告。在2016 年的美国激光与电光大会（CLEO2016）上进行了45 分钟的特邀报告。宗伟健及陈良怡团队利用该技术首次追踪了活体斑马鱼胰岛的发育过程，为解释胰岛发育与血液循环系统的关系提供了重要证据。

3. 最令人印象深刻的发明，是2017年发表的“新一代2.2 克超高时空分辨率微型化双光子显微镜”，第一次实现了自由活动哺乳动物在体超高分辨率的神经结构与动态观测。宗伟健在2013 年加入程和平带领的国家重大科研仪器设备研制专项“超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统”项目，并作为主要发明人成功研发新一代2.2 克微型化双光子显微镜（Nature Methods， 2017）。运用微集成、微光学、超快光纤激光和半导体光电学等技术，该技术将传统的大型台式双光子显微镜浓缩成了一枚仅手指尖大小，仅重2.3 克的微型双光子显微镜；该显微镜具空间分辨率达650 纳米，成像速度达到40 Hz；具备多区域随机扫描和每秒 1 万线的线扫描能力。此项突破性技术将开拓新的研究范式，在动物觅食、哺乳、跳台、打斗、嬉戏、睡眠等自然行为条件下，实现长时程观察神经突触、神经元、神经网络、多脑区等多尺度、多层次动态信息处理。与光遗传学技术的结合，可望在成像的同时，精准地操控神经元和神经回路的活动。此项标志性成果，反映了我国生命科学家已具备研制整系统尖端科研仪器设备的能力，为即将启动的中国脑科学计划打造了一个核心创新工具。宗伟健在2017 年6 月的冷泉港国际神经学会议上向神经科学领域的同行第一次详细地介绍了该项技术，得到了广泛的响应和认可。加州大学圣地亚哥分校著名神经生物学家阿尔西诺·J·席尔瓦（AlcinoSilva）在听完报告后评论该技术为“神经科学领域的一件大事”。 随后其特别撰写了详细的评论文章并发表于《光:科学与应用》(Light: Science & Applications, 2017)。目前，研发团队已签署多个国际合作协议，合作者包括Edvard I. Moser（2014 诺贝尔生理学或医学奖得主）、Tobias Bonhoeffer（欧洲科学院和德国科学院院士，德国马普神经生物学研究所所长）和Ryohei Yasuda（马普佛罗里达神经所所长）。目前，该技术已经申请了6 项国家发明专利和1 项国际专利。宗伟健及团队在继续改进和研发下一代的微型化双光子系统，并致力于将技术进行产业化，使其在世界范围内广泛传播。通过不断研发新技术，并与生物学问题紧密结合，宗伟健已经成为国内甚至国际上最为优秀的显微成像技术研究者之一。他持续为生物学家提供着革新的工具，并使得我国在多项显微成像技术上取得了世界级的核心竞争力。