長期以來，如何在細胞層面“看得更清楚”一直是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究者關(guān)注的重要議題。為了回答這個問題，經(jīng)過近3年的建設(shè)施工，由北京大學(xué)牽頭的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目、我國在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施在2022年迎來全面竣工。這一包含了多模態(tài)醫(yī)學(xué)成像裝置、多模態(tài)活體細胞成像裝置、多模態(tài)高分辨分子成像裝置、全尺度圖像整合系統(tǒng)及模式動物等輔助平臺和配套設(shè)施的高端生物醫(yī)學(xué)影像儀器裝備，有效填補了我國在生命體結(jié)構(gòu)與功能跨尺度可視化描繪及精確測量領(lǐng)域的空白，有望成為我國相關(guān)研究者和從業(yè)者破解生命與疾病奧秘的“神兵利器”。

▲陳良怡

從基礎(chǔ)建設(shè)啟動，到主體結(jié)構(gòu)封頂，再到設(shè)施最終落成，見證了多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施各個重要的時間節(jié)點，北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院分子醫(yī)學(xué)研究所教授陳良怡感慨萬千。

專注于高端超分辨率顯微鏡技術(shù)相關(guān)研究及應(yīng)用多年，陳良怡以先行者的姿態(tài)，多次踏足“人跡罕至”的科研空白領(lǐng)域，研發(fā)出一系列具有突破意義的科研成果；而以赤誠之心投入相關(guān)成果的實踐和轉(zhuǎn)化的過程中，他又是領(lǐng)域內(nèi)當(dāng)之無愧的踐行者。“在活細胞層面看清楚疾病發(fā)生和變化的過程，了解疾病的發(fā)病機制，進而找到治療疾病的藥物和方法，這就是超分辨顯微鏡的意義，也是我不斷追尋的科研夢想。”陳良怡如是說道。

從“偶遇”到熱愛

“21世紀(jì)是生物學(xué)的世紀(jì)?！边@句話曾經(jīng)鼓舞和吸引了眾多年輕人進入生物學(xué)相關(guān)專業(yè)，陳良怡便是其中之一。本科時，就讀于西安交通大學(xué)少年班的陳良怡便早早地產(chǎn)生了探索學(xué)科交叉領(lǐng)域的想法——在分班時，他選擇了生物學(xué)與工程學(xué)相結(jié)合的生物工程與醫(yī)學(xué)儀器專業(yè)，就此開始了為期4年的大學(xué)生涯。本科畢業(yè)后，陳良怡決心繼續(xù)向?qū)W，華中理工大學(xué)（現(xiàn)華中科技大學(xué)）生物電子學(xué)專業(yè)成了他前行的全新一站。

“我來到華中理工大學(xué)時，生物電子學(xué)專業(yè)已經(jīng)形成了研究電生理、應(yīng)用膜片鉗技術(shù)的傳統(tǒng)，我國第一臺膜片鉗放大器就誕生于此?！标惲尖榻B道。在導(dǎo)師康華光教授的帶領(lǐng)下，他開啟了自己與生物物理的“第一次親密接觸”。以此為起點，陳良怡博采眾長、不斷摸索，他的研究道路也在這樣的過程中逐漸清晰。以生物物理為原點、專注鈣信號研究的陳良怡在順利取得華中科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的博士學(xué)位后，又加入著名生物物理學(xué)家、美國科學(xué)院院士、拉斯科醫(yī)學(xué)獎獲得者伯蒂爾·希勒（Bertil Hille）教授的團隊，在美國華盛頓大學(xué)生理與生物物理系展開博士后研究。

在漫長而又充實的求學(xué)路上，陳良怡一度感受到了“半路出家”帶來的困擾?！昂推渌┦亢罅奶鞎r，我覺得自己非?！疅o知’，他們很快就能引經(jīng)據(jù)典，講出某個方向都有哪些實驗室的重要貢獻，是什么時候發(fā)生的。大家的交談就像是在對‘暗語’，只有我一個人聽不懂?！迸c此同時，他也在從研的過程中，看到了曾經(jīng)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷帶給自己的優(yōu)勢——“交叉學(xué)科的學(xué)習(xí)背景，讓我可以用更加多元的視角看待和思考科學(xué)問題，也似乎讓我比純粹生物背景或純粹工程背景的同學(xué)要‘多懂一些’?！毕胪诉@一點，陳良怡沉下心來繼續(xù)暢游知識的海洋，一篇篇詳細閱讀過的文獻材料、一摞摞條分縷析的學(xué)習(xí)筆記，都是他勤學(xué)的明證。大量閱讀、摘錄要點、及時回顧、全面思考，陳良怡用這樣的方式逐步積累起自己對于學(xué)科全貌的認識和深刻見解，從而“真正理解并開始了生物物理研究”。

▲程和平院士（左四）與包括陳良怡（右一）在內(nèi)的多模態(tài)跨尺度設(shè)施負責(zé)人合影

2004年6月，學(xué)成回國的陳良怡懷揣繼續(xù)做科研的熱情，就任中國科學(xué)院生物物理研究所副研究員，開始一步一個腳印地行走在生物物理及光學(xué)的基礎(chǔ)研究路上。此后6年，在忙于科研的同時，陳良怡也不斷思索著自己所做工作的價值所在。他期望能在深耕基礎(chǔ)研究的同時，讓這些研究成果更具實用性，使它們展示出“看得見的價值”。就此，陳良怡決心投身科研及轉(zhuǎn)化前沿，恰逢此時，北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所向他伸出了橄欖枝。北京大學(xué)卓越的研究水平、良好的學(xué)科交叉基礎(chǔ)，以及與各大高校、研究院所和企業(yè)豐富的合作經(jīng)驗，無疑為陳良怡實現(xiàn)“科研+實踐”夢想提供了沃土。2010年，陳良怡正式加盟北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所，以教授及細胞分泌和代謝實驗室主任的身份，展開對活細胞或活體小鼠光學(xué)成像的技術(shù)開發(fā)、胰島素分泌調(diào)控機制等研究，以及利用自主研發(fā)不同尺度顯微鏡對各類疾病致病機制展開研究。從基礎(chǔ)科研中來，到實際應(yīng)用中去，為探尋疾病致病機制提供高效工具，并進一步推動相關(guān)疾病的治療，成了陳良怡此后十余年為之付出心血和汗水的不悔方向。

“無知無畏”探前沿

來到北京大學(xué)以后，陳良怡頗是體會了一番“萬事開頭難”的滋味。項目少、經(jīng)費少、人員少的境況沒有讓他退縮，但高端生物醫(yī)學(xué)影像儀器的缺位卻讓陳良怡甚至整個團隊的工作舉步維艱。正所謂工欲善其事，必先利其器。2013年，同為北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所一員的程和平院士決心“主動出擊”，牽頭申請了國家重大科研儀器研制項目“超高時空分辨微型化雙光子在體成像系統(tǒng)”。

一心想要做好活體活細胞超分辨率成像的強烈愿望讓陳良怡主動請纓，加入程和平院士組織的攻關(guān)大團隊。然而當(dāng)時他甚至沒有使用雙光子顯微鏡的經(jīng)驗，更不用說搭建微型化雙光子顯微鏡。等到團隊順利拿下項目，在與程和平院士一道拜訪國外頂尖實驗室、向業(yè)內(nèi)專家前輩請教學(xué)習(xí)時，陳良怡才真正意識到他們接下來要做的工作是怎樣的困難——“當(dāng)時學(xué)界關(guān)于微型化雙光子顯微鏡的看法并不樂觀：一方面，當(dāng)時微型化雙光子顯微鏡已有不少所謂的‘成品’，很多人認為其技術(shù)含量并不高；另一方面，以神經(jīng)科學(xué)家為代表的‘客戶群體’和技術(shù)開發(fā)者覺得微型化雙光子是做不出來的，即使做出來，在實際的活體小鼠上由于運動偽影及其他原因也達不到高分辨率成像的效果。”面對這樣的局面，陳良怡在與程和平院士討論時，不禁發(fā)出了“之前的我們真是無知啊”的感慨。

然而“軍令狀”已立下，絕沒有畏葸不前的道理?！凹热唤酉聡疫@個活兒，我們還是要盡全力去做好；既然不懂，那我們更應(yīng)該通過努力自學(xué)整個方向的理論體系和研究前沿，努力做到最好。”程院士的話鼓勵了陳良怡，接下來的5年，他的每個周末幾乎都在研讀國際最新的研究論文、梳理總結(jié)、交流學(xué)習(xí)和團隊討論中度過。從亦步亦趨的跟隨，到找到技術(shù)的關(guān)鍵難點，再到逐一攻克包括新型空心飛秒光纖、MEMS掃描器件和微型化透鏡的設(shè)計，光路系統(tǒng)的整合和迭代優(yōu)化思維，微型化探頭的固定，小鼠手術(shù)和訓(xùn)練在內(nèi)的多項技術(shù)難題，陳良怡和團隊共同走過了一條邊學(xué)邊做、隨思隨行的長路。最終，通過運用微機械、微光學(xué)、超快光纖激光和半導(dǎo)體光電子學(xué)等技術(shù)，陳良怡及其團隊在高時空分辨在體成像系統(tǒng)研制方面取得突破性技術(shù)革新，成功研制出2.2克微型化佩戴式雙光子熒光顯微鏡，在國際上首次記錄了懸尾、跳臺、社交等自然行為條件下，小鼠大腦神經(jīng)元和神經(jīng)突觸活動的高速高分辨圖像。相關(guān)成果發(fā)布于《自然·方法》（Nature Methods）后更是引起了整個在體高分辨率成像領(lǐng)域的關(guān)注，2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者、神經(jīng)科學(xué)家愛德華·莫澤（Edvard Moser）稱贊其為“革命性”工具。

在微型化雙光子顯微鏡搭建取得階段性成果后，陳良怡將目光再一次投向了一直以來鐘情的“如何能夠?qū)崿F(xiàn)通用的活細胞上超分辨率成像”課題。通過對可能性方法的反復(fù)探究，陳良怡及其團隊在前人研究成果的基礎(chǔ)上，首次提出結(jié)構(gòu)光成像重建存在內(nèi)在偽影，闡明了結(jié)構(gòu)光超分辨率成像會產(chǎn)生偽跡的各種原因，并就如何降低光毒性的同時壓制重建偽跡，實現(xiàn)通用超分辨成像等問題提出可行性方案。2018年，相關(guān)成果發(fā)表在《自然·生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）上，并入選2018年度中國光學(xué)十大進展。

在文章發(fā)布后，陳良怡收到了業(yè)界越來越多關(guān)于“能否進一步提高活細胞超分辨率顯微鏡的空間分辨率”的提問。而在與哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李浩宇博士進行合作的過程中，他給出了肯定的答案。就此，雙方團隊一起開始了進一步提升“2018方案”的嘗試和改進：基于“信號在時間空間上是連續(xù)的”這一普適先驗知識基礎(chǔ)，結(jié)合之前提出的信號空時連續(xù)性先驗知識，團隊增添了對于圖像相對稀疏的約束條件，并用Richardson-Lucy解卷積算法來處理熒光圖像，突破現(xiàn)有熒光顯微系統(tǒng)的光學(xué)硬件限制，首次實現(xiàn)通用計算熒光超分辨率成像，可實現(xiàn)目前活細胞光學(xué)成像中最高空間分辨率（60納米）下速度最快（564赫茲）、成像時間最長（1小時以上）的超分辨成像，進一步推動了分辨率的極限。通過實驗，陳良怡驚喜地發(fā)現(xiàn)，用這種算法進行解算后，整個細胞內(nèi)的線粒體嵴結(jié)構(gòu)和肌動蛋白網(wǎng)格出現(xiàn)了更好的對比圖像，甚至可以看到活細胞核膜上的環(huán)狀核孔結(jié)構(gòu)，以數(shù)學(xué)方法提高分辨率的可能性被成功驗證。經(jīng)過為期一年半的回應(yīng)和答疑，稀疏解卷積（sparse deconvolution）首次證明了在實際樣本中數(shù)學(xué)超分辨是可能的，且在各種各樣的情況下均有效；2022年，這一被評為2021年度中國光學(xué)領(lǐng)域十大社會影響力事件、入選科技部主辦的“十三五”科技創(chuàng)新成就展及“首屆全國顛覆性技術(shù)創(chuàng)新大賽”總決賽優(yōu)勝獎（最高獎）的成果再一次見諸《自然·生物技術(shù)》，實現(xiàn)了陳良怡“閃電兩次擊中同一個地方”的夢想。

與燕園相伴一紀(jì)有余，陳良怡仍覺探索未知是自己科研生命的一種常態(tài)，也是一種充滿挑戰(zhàn)的新奇和幸福。如今回首來時路，陳良怡如是總結(jié)：“無知是一種幸?！薄盁o知者無畏。正是因為‘無知’，我們可以不被之前認知所限制，從頭、無偏好地評價實現(xiàn)路徑的每一方面，同時將最新的數(shù)學(xué)方法、光學(xué)、電子、器件等各個方面的進展都整合進來，從而做成大家認為不可能的事情。”

頑強成就新天地

陳良怡喜歡將學(xué)生稱為“年輕的合作者”。在他看來，清晰的想法、自發(fā)的目標(biāo)、不懈的努力，是年輕人走平走穩(wěn)科研路的要訣。在給予充分尊重和悉心教導(dǎo)的同時，這位和煦的師者也反復(fù)地向?qū)W生強調(diào)著“要頑強不要頑固”的重要性。在交談中，陳良怡講述了首次在《自然·生物技術(shù)》上發(fā)表文章的曲折經(jīng)歷。在降低光毒性的同時壓制重建偽跡、實現(xiàn)通用超分辨成像方面取得了開創(chuàng)性成果后，陳良怡信心滿滿地將相關(guān)成果投遞期刊，卻被言辭激烈的審稿意見打了個措手不及。除了被拒稿的結(jié)果和幾十頁近乎苛刻的意見外，一位審稿人甚至還對陳良怡團隊的工作成果做出了“不夠格”的評價。多年的辛苦成果被輕描淡寫地否定，團隊中的每個人都深感不平。不過等到情緒平復(fù)下來，陳良怡第二次、第三次、第四次閱讀審稿人的意見時，除了對自尊心被刺痛的感覺逐漸“脫敏”，他也逐步認識到審稿人看似尖銳意見背后的合理性。尤其是自己的團隊當(dāng)時在領(lǐng)域內(nèi)名不見經(jīng)傳，更容易引起審稿人對于數(shù)據(jù)真實性和結(jié)果可靠性的懷疑。為此，陳良怡決心與團隊成員一道，努力去復(fù)現(xiàn)所有別的算法（因其尚未開源），努力做到最好來證明給審稿人看?！按蠹衣耦^工作3個月，通過仿真、實驗及他人的算法重現(xiàn)回答審稿人的每一個問題。”然而這一次，他們等到的仍是拒稿的壞消息。

▲陳良怡團隊合影?

連番的打擊沒有讓陳良怡和他年輕的團隊“知難而退”，反而激起了他們不斷奮進、以無可辯駁的研究成果為自己“正名”的決心。通過一次又一次的嘗試，團隊成員成功地用結(jié)構(gòu)光超分辨率顯微鏡拍攝了活細胞中熒光標(biāo)記的線粒體，成像相較于之前用其他超分辨率顯微鏡拍出圖像的清晰程度有明顯提升，甚至可以看到對于線粒體產(chǎn)生能量非常重要的內(nèi)嵴結(jié)構(gòu)。最終，他們終于拍出完美的活細胞中線粒體內(nèi)嵴結(jié)構(gòu)動態(tài)，這也是人類可以第一次清楚看到活細胞內(nèi)線粒體內(nèi)嵴的結(jié)構(gòu)動態(tài)，這對于生物醫(yī)學(xué)研究者來說意義極為重大，而這一數(shù)據(jù)也為陳良怡團隊反復(fù)打磨的文章起到了一錘定音的效果。最終這篇“幾經(jīng)波折”的文章得以成功發(fā)布，并收獲了《自然·方法》的高級編輯麗塔·斯特拉克（Rita Strack）“在低信號強度下表現(xiàn)遠優(yōu)于目前的算法，并允許在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光超分辨率成像所需要的一小部分光子劑量下成像”的高度評價。

“相信自己的研究成果是對的，同時接受別人對此提出的意見，并用不同方法、不同角度來驗證成果，用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灪途珳?zhǔn)的數(shù)據(jù)證明自己，是頑強；陷于憤怒的個人情緒、固守一套研究方法一成不變，是頑固。在面對質(zhì)疑和打擊時，我們選擇思考這些意見的核心觀點是什么，然后設(shè)計實驗用事實去說服他們。這是頑強和頑固之間的差別，也是我們從無到有成功的經(jīng)驗?！标惲尖忉尩溃熬唧w到學(xué)生職業(yè)規(guī)劃道路的選擇，我也保持著同樣的看法。成功從來不是只有一條路徑。無論是選擇繼續(xù)做科研，或是選擇投身企業(yè)，在我看來每條路都是成功的。我的任務(wù)就是充分引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生獨立的學(xué)科思維，讓他能夠在自己喜歡、擅長的領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱?！?/p>

科研之外，頑強而不頑固的陳良怡，也將科研觸角延伸至科技成果轉(zhuǎn)化的第一線。作為廣州超視計生物科技有限公司（以下簡稱“廣州超視計”）的創(chuàng)始人，他帶領(lǐng)團隊將自主研發(fā)的HiS-SIM智能超靈敏活細胞超分辨顯微鏡（以下簡稱“HiS-SIM顯微鏡”）進行商品化。據(jù)陳良怡介紹，HiS-SIM顯微鏡是超靈敏的超分辨顯微鏡，具有光毒性小、速度快、無探針要求等顯著優(yōu)點。通過與稀疏解卷積算法結(jié)合，它可以在不犧牲時間分辨率的情況下提高空間分辨率；同時作為一個通用的超分辨率顯微鏡，它在細胞生物學(xué)上、神經(jīng)生物學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用同樣表現(xiàn)上佳。2020年，陳良怡團隊在《科學(xué)通報》（Science Bulletin）上發(fā)表文章，證明活細胞超分辨率成像可以用于罕見病佩梅病的臨床分型和藥物篩選；而經(jīng)過硬件和軟件方面的多次優(yōu)化、搭載自主研發(fā)的活細胞超分辨率成像技術(shù)，同時可以做到“即所見、即所得”的HiS-SIM顯微鏡，一經(jīng)問世便收獲了廣泛好評。目前，中國科學(xué)院生物化學(xué)與細胞生物學(xué)研究所、武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)、廈門大學(xué)、吉林大學(xué)等國內(nèi)科研院所及高校先后成為廣州超視計的用戶，包括同仁醫(yī)院、阜外醫(yī)院在內(nèi)的知名醫(yī)院與廣州超視計展開“超分辨病理”的相關(guān)合作，而穩(wěn)定運行、技術(shù)領(lǐng)先的HiS-SIM顯微鏡也即將漂洋過海，出口到美國、澳大利亞及歐洲等國家和地區(qū)?！癏iS-SIM顯微鏡是通用工具，可以研究多種疾病的發(fā)病機制，可以為醫(yī)生尋找靶向藥物、及時診斷治療提供依據(jù)，也解決了我國在這一領(lǐng)域的‘卡脖子’問題。在實現(xiàn)我自己從科研走向?qū)嵺`夢想的同時，也為國家相關(guān)事業(yè)出一份力，我感到十分榮幸。”陳良怡笑著說道。

如今作為多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)施工程建設(shè)的重要負責(zé)人之一，始終淡然平和的陳良怡依舊步履不停，“把超分辨技術(shù)做到極致”“超分辨成像技術(shù)智能化”將是他未來為之奮斗的方向?！拔覀兯龅墓ぷ魇堑湫偷膹幕A(chǔ)研究出發(fā)、從交叉學(xué)科出發(fā)，積極投身轉(zhuǎn)化實踐的過程。現(xiàn)階段，很多科研工作都行進到了非常高的水平，想要‘百尺竿頭更進一步’也絕非易事。這就要求我們不能有絲毫懈怠，在理論創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新等方面不斷尋找新的突破口。我相信，生命、細胞，還有太多未被探知的終極奧秘。做正確的事情，不斷創(chuàng)新，永葆熱愛。我們終將看到，我們必須看到?！?/p>