2026年诺贝尔生理学或医学奖授予光遗传学，藻类蛋白让光控制神经元

一种帮助单细胞池塘藻类游向光线的蛋白质，如今让科学家能够用一束蓝光精准开启或关闭某类脑细胞。卡罗林斯卡学院诺贝尔大会将今年的生理学或医学奖授予三位研究者，他们发现了这种蛋白质并将其转化为实验工具：斯坦福大学及霍华德·休斯医学研究所的卡尔·戴塞尔罗斯（Karl Deisseroth）、柏林洪堡大学的彼得·黑格曼（Peter Hegemann）以及维尔茨堡大学的格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel）。

这项技术名为光遗传学，它彻底改变了脑科学研究的证明方式。此前，神经科学家只能观察到大脑哪些区域在恐惧或饥饿时活跃，却很难证明某种特定神经元直接引发了这些感受。借助光遗传学，他们可以在活体动物中激活这些细胞，观察行为随之出现；或者关闭它们，观察行为消失。此后，实验室利用该技术定位了记忆、疼痛、口渴、睡眠和社交行为相关的神经环路，目前它正被测试用于治疗一种失明。

诺贝尔委员会表彰这三位科学家“因他们在光门控离子通道及光遗传学方面的发现”。他们将平分1200万瑞典克朗。诺贝尔生理学或医学奖委员会主席佩尔·斯文宁松（Per Svenningsson）表示：“光遗传学让我们得以以前只能梦想的方式绘制大脑图谱。”

一种比人眼反应快20倍的藻类

故事始于衣藻（Chlamydomonas），一种单细胞绿色藻类。将其搅入培养皿中，照亮一侧，那淡淡的绿色便会向灯光方向漂移。藻类通过一个眼点感知光线——一个微小的橙色斑点，内含视黄醛，与人类眼睛中捕捉光线的分子相同。

当时在马丁斯里德马克斯·普朗克生物化学研究所工作的黑格曼，用精细电极测量了眼点，发现光线到达后半毫秒便产生电脉冲。而在人眼中，光线触发一连串化学步骤后离子通道才打开，整个过程至少需要10毫秒。这种藻类的反应速度比人眼快二十倍以上。

黑格曼的解释很简单：一种蛋白质必须同时完成两项工作——捕捉光线并打开让带电粒子通过的孔道。同事们对此表示怀疑，因为此前没有已知的离子通道能单独对光做出反应。当他的团队试图从眼点中提取这种蛋白质时，它分解了，这个想法因此搁置了多年。

他们如何做到的

转机来自日本研究者发布了衣藻的基因序列。黑格曼的团队发现了两个与已知光捕获蛋白相似的基因，并将其发送给法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所的纳格尔。

纳格尔将每个基因注入青蛙卵中——这是一种标准技巧，能让卵细胞成为外来蛋白质的工厂。这些蛋白质附着在卵细胞表面，当纳格尔用光照射它们时，它们打开了。带正电的离子流过，产生电流。黑格曼的假设是正确的。该团队将这两种蛋白质命名为光敏感通道蛋白-1和光敏感通道蛋白-2，其中第二种在光脉冲到达后0.2毫秒内便打开。

在人类胚胎肾细胞和仓鼠细胞中，光敏感通道蛋白-2也在光照下产生电信号。这种蛋白质就像一个便携开关：任何携带该基因的细胞都会对光做出反应。

戴塞尔罗斯寻找的正是这个。他受过精神科医生训练，在临床工作中深感现有疗法对抑郁症或精神分裂症患者的帮助有限，因此他想研究活体大脑中的神经环路，而不是薄片组织。他写信向纳格尔索要光敏感通道蛋白-2基因，将其插入培养皿中生长的大鼠神经元中，然后用蓝光照射。这些神经元按指令放电，信号传递给了邻近细胞。

随后，他的团队将基因递送到活体小鼠运动皮层中的某一类细胞，并通过颅骨上的小孔插入一根细光纤。光脉冲使动物移动胡须。在另一项实验中，针对一个疑似唤醒环路的光照唤醒了睡眠中的小鼠。

为什么光优于电极和药物

电极会刺激其尖端附近的所有神经元，无论其类型。药物扩散到组织中，作用时间长达数分钟。光遗传学在两个方面同时实现了精确性：基因只进入选定的细胞类型，而光在毫秒级时间内切换这些细胞，与真实神经信号的速度相匹配。曾因发现DNA双螺旋结构而共享诺贝尔奖的弗朗西斯·克里克（Francis Crick）曾提出，光将是控制单个神经元的理想方式，同时承认这个想法听起来有些异想天开。

精确性之所以重要，是因为规模问题。一个成年人类大脑约有900亿个神经细胞，每个细胞与数千个其他细胞相连，而功能无关的神经元混杂在一起。戴塞尔罗斯的团队与诺贝尔奖得主利根川进（Susumu Tonegawa）合作，重新激活了小鼠中存储恐惧记忆的特定细胞，动物在一个毫无威胁的地方表现出恐惧。其他团队已经绘制了口渴、注意力和发热的环路，发现小鼠中收集幼崽筑巢和梳理毛发由不同的环路控制，并且表明心脏被迫更用力跳动会加剧焦虑。

诺贝尔奖没有解决的问题

光遗传学目前主要仍是研究工具，而非疗法。将其用于人类意味着将外源基因（通常通过改良病毒）导入人体细胞，并将光输送到深层组织——在大脑中需要植入装置。这两个步骤在患者身上都尚未成为常规操作，而携带藻类蛋白的人类神经元的长期安全性也尚未确定。

最清晰的人类应用结果范围很窄。一名因视网膜色素变性失明40年的男性，在一只眼睛中接受了光敏感通道蛋白基因，并佩戴了能将光脉冲投射到视网膜上的护目镜。根据2021年《自然·医学》上的一份病例报告，他恢复了足够的视力，能够定位并计数桌上的物体。一名患者只是原理验证，并不能证明该疗法广泛有效，相关试验仍在进行中。

诺贝尔奖也在一个拥挤的领域中划出了一条界限。诺贝尔规则规定每项奖最多只能有三名获奖者。2005年首次用光敏感通道蛋白-2切换神经元的那篇论文，出自戴塞尔罗斯的实验室，第一作者是爱德华·博伊登（Edward Boyden），共同作者包括张锋（Feng Zhang）和生物物理学家恩斯特·班贝格（Ernst Bamberg）。牛津大学的格罗·米森伯克（Gero Miesenböck）此前曾使用另一种光敏感系统让神经元对光做出反应。班贝格、博伊登和米森伯克曾与今年的三位获奖者共同获得2013年光遗传学“大脑奖”，但他们并未获得诺贝尔奖。

从青蛙卵到斯德哥尔摩

通往诺贝尔奖的道路由几篇论文铺就。纳格尔、黑格曼及其同事于2002年在《科学》杂志上描述了光敏感通道蛋白-1，2003年在《美国国家科学院院刊》上描述了光敏感通道蛋白-2。戴塞尔罗斯的团队于2005年在《自然·神经科学》上报告了光控神经元，该方法于2006年得名，2007年首次实现了活体小鼠大脑内神经元的光控。与利根川进合作的恐惧记忆实验于2012年完成。

关于2026年诺贝尔生理学或医学奖的常见问题

谁获得了2026年诺贝尔生理学或医学奖？

斯坦福大学及霍华德·休斯医学研究所的卡尔·戴塞尔罗斯、柏林洪堡大学的彼得·黑格曼以及维尔茨堡大学的格奥尔格·纳格尔。他们因在光门控离子通道及光遗传学方面的发现而获奖，将平分1200万瑞典克朗。

简单来说，什么是光遗传学？

它是一种用光控制特定神经细胞的方法。研究者将一种光敏感蛋白（如光敏感通道蛋白）的基因添加到某一类神经元中。然后照射适当颜色的光，即可在毫秒级时间内开启或关闭这些细胞，从而使科学家能够测试每种细胞类型的功能。

光遗传学用于治疗患者了吗？

目前尚未作为获批疗法使用。临床试验正在测试它能否恢复因视网膜色素变性失明者的部分视力，一名接受治疗的患者已能借助特殊护目镜定位并计数物体。研究者还希望它能使人工耳蜗比电刺激更精确。

三位获奖者将于12月10日在斯德哥尔摩的诺贝尔奖颁奖典礼上领取奖章和证书。最初的那株藻类仍在池塘水中游向光线，而它眼点中的蛋白质如今在世界各地的实验室里听候指令开启。

参考文献：Nagel et al., “Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel,” PNAS, 2003. DOI: 10.1073/pnas.1936192100. Boyden et al., “Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity,” Nature Neuroscience, 2005. DOI: 10.1038/nn1525

标签: 诺贝尔奖, channelrhodopsin, Georg Nagel, Karl Deisseroth, Peter Hegemann, 光遗传学