2026年诺贝尔生理学或医学奖“颁给”光遗传学 如何用光控制记忆、情绪与行为？

每经记者 王嘉琦 每经编辑 兰素英
　　大脑如何调控情绪、行为与机体功能，长期以来都是未解之谜。20世纪，研究人员开始探究大脑哪些区域对应哪些生理功能，但受限于当时的研究手段，他们无法证明二者之间存在因果关系。那时人们勾勒出的大脑图景，就像一张草图，遍布疑问与未知。
　　如今，一切正在发生改变。
　　当地时间10月5日，瑞典卡罗琳医学院宣布，将2026年诺贝尔生理学或医学奖授予卡尔·戴塞罗思、彼得·黑格曼、格奥尔格·内格尔三位科学家，以表彰他们在光门控离子通道和光遗传学方面的发现。
　　借助光遗传学，人类得以探明神经细胞如何在活体大脑中塑造记忆、情绪与行为。
　
　衣藻里藏着光控开关
　　21世纪初，黑格曼与内格尔发现了衣藻——一种位于藻细胞表面、具备独特特性的藻类蛋白。当蓝光照射该蛋白时，蛋白上的通道会打开，带电离子流入细胞，进而产生电脉冲。他们发现，无论将这种蛋白置于哪种细胞内，都能让该细胞具备感光能力。
　　戴塞罗思将通道视紫红质基因导入大鼠神经细胞。用蓝光照射这些细胞，即可触发神经信号。他在2005年发表了这项突破性成果。两年后，这套神经细胞光控开关在活体小鼠的大脑中成功实现。
　　这种利用光调控神经信号的技术，如今被命名为光遗传学，并迅速在全球产生深远影响。
　　光遗传学从根本上重塑了人类对大脑的认知。新发现层出不穷，助力人类破解重大谜题之一：我们精妙的大脑究竟如何工作。
　　黑格曼使用微型电极，测量光线照射眼点时衣藻产生的电信号。藻类的反应速度惊人：光线抵达眼点仅0.5毫秒后，电脉冲便随之产生。
　　对于这种超快速响应，黑格曼只想到一种解释，衣藻体内的这套机制，远比人眼的光反应通路简单。20世纪90年代初，他提出假说：存在单一蛋白复合体，既能捕获光线，又可以充当离子通道。但他的猜想在当时饱受质疑。彼时研究者已经发现很多种类的离子通道，但没有任何一种能够单独对光产生响应。
　　为验证假说，黑格曼尝试分离衣藻的感光蛋白。但这件事说起来容易做起来难。一旦眼点中的蛋白脱离原生环境，就会变得不稳定、极易受损，很难开展研究。不过在世纪之交，历经多年挫折后，研究团队迎来了一条重要线索：日本科研人员完成了衣藻的DNA（脱氧核糖核酸）测序，公开了数千个基因的遗传编码。黑格曼团队从中找到两个基因，它们和已知捕光蛋白基因高度同源。这两个基因里，会不会就藏着他们苦苦寻找的蛋白编码？
　　为解开这个疑问，黑格曼联系了法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所的内格尔。
　
　一束蓝光可触发神经信号
　　内格尔使用蛙卵开展蛋白研究。收到两组衣藻基因后，他将两组基因分别注入不同批次的蛙卵，蛙卵随即大量合成这两种未知蛋白。这些蛋白最终定位在卵细胞膜表面。内格尔开始研究它们的功能，并很快证实黑格曼在十年前提出的假说成立。新发现的这些蛋白，正是遇光即可打开的离子通道。
　　这类蛋白被命名为1型通道视紫红质与2型通道视紫红质。
　　和黑格曼的实验结果一致，内格尔对2型通道视紫红质的表征实验显示：它对光脉冲的响应极强，而且极其迅速。蓝光照射蛙卵细胞后，0.2毫秒内细胞膜上的通道打开，带正电的离子流过通道，产生电信号。
　　黑格曼与内格尔意识到，他们取得了一项颠覆性发现。他们尝试将2型通道视紫红质基因导入人类胚胎肾细胞与仓鼠肾细胞。这些细胞获得感光能力，受到光照就会产生电信号。
　　2003年，黑格曼与内格尔发表实验成果。他们提出，2型通道视紫红质可以作为强大工具，利用光线在细胞内生成电脉冲。在此之后，斯坦福大学一位年轻的科学家接过了研究接力棒。
　
　大脑为何产生不同情绪
　　20世纪90年代，戴塞罗思刚开始学医时，原本打算成为神经外科医生。但他有一段培训经历是在精神科诊所完成的。
　　在那里，他目睹患者承受的巨大痛苦与求助渴望。与此同时，他开始思考，为什么不同人的大脑，运作方式截然不同？抑郁症患者为何很难感受到愉悦？自闭症、精神分裂症妄想症状的成因是什么？
　　在攻读医学学位的同时，他取得神经科学博士学位。在实验室里，他使用培养皿中的脑薄片开展研究。这项研究产出不少重要认知，但他意识到，想要理解在临床见到的各类疾病，必须研究神经细胞在活体大脑中的工作状态。
　　戴塞罗思组建自己的研究团队后，开始寻找能够触发神经细胞电脉冲的蛋白。团队测试了大量候选蛋白。当戴塞罗思听说2型通道视紫红质的发现后，写信联系内格尔，希望获取编码该蛋白的DNA。
　　DNA送达戴塞罗思实验室后，他将其导入培养皿中体外培养的大鼠神经细胞。他担心脆弱的神经细胞会受到外源基因的不良影响，但细胞顺利合成了2型通道视紫红质，没有出现明显异常。研究团队用蓝光照射这些神经细胞，细胞立刻产生反应，光线触发神经信号，并可以传递给其他神经细胞。
　　2005年，戴塞罗思团队发表这项发现。他们实现了一个决定性里程碑，但戴塞罗思清楚，距离最终目标还有很长的路要走——在活体动物体内调控神经细胞活动。
　　戴塞罗思随后开启多项合作，包括与黑格曼、内格尔合作。他也向其他科研人员分享这项成果，大家都意识到这项技术蕴藏巨大潜力。研究者很快找到更多可开启或关闭神经细胞、响应不同波长光线的蛋白。
　　2006年，这项全新技术被命名为光遗传学。一年之后，戴塞罗思成功激活活体小鼠大脑内的神经细胞。研究团队把2型通道视紫红质基因导入运动皮层的特定神经细胞。运动皮层是大脑负责控制运动的区域。科研人员在小鼠颅骨钻一个小孔，将细光纤伸入大脑，照射神经细胞。借此，他们可以控制小鼠胡须的运动。
　　同年，戴塞罗思联合其他研究者，利用光遗传学可控唤醒处于睡眠状态的小鼠。
　　得益于光遗传学，研究者如今能够在错综复杂的神经束中，精准找到控制不同脑功能的神经细胞。
　　光遗传学还可以用来绘制大脑以外的神经系统与细胞功能图谱。戴塞罗思证实心率会影响情绪：当心脏负荷被迫增加，焦虑情绪会随之增强。
　
　光遗传学进入治疗阶段
　　依托光遗传学获得的认知，全新的治疗手段有望获得新的发展。这项技术加深了人类对抑郁症、焦虑症、精神分裂症、阿尔茨海默病、帕金森病等神经与精神疾病特征的理解。
　　科研人员也迈出了将光遗传学用于临床治疗的第一步。多项正在开展的临床试验，尝试帮助因视网膜色素变性失明的患者恢复视力，这种疾病会破坏视网膜视杆细胞与视锥细胞。
　　研究人员将类似通道视紫红质的蛋白导入失明患者视网膜后，患者恢复了部分视觉；佩戴特制发光眼镜，患者能够分辨并拿起桌面上的物体。
　　学界也期待光遗传学可以优化人工耳蜗。当前人工耳蜗依靠电刺激听觉神经，如果改用光遗传学技术，耳蜗设备或将更加精准地激活听觉神经。