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2026年诺贝尔生理学或医学奖授予光遗传学

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2026 年诺贝尔生理学或医学奖授予卡尔·戴瑟罗特(Karl Deisseroth)、彼得·赫格曼(Peter Hegemann)和格奥尔格·纳格尔(Georg Nagel),以表彰他们在光遗传学(optogenetics)上的发现。


图1. 2026年诺贝尔生理学或医学奖 授予卡尔·戴瑟罗斯、彼得·黑格曼和格奥尔格·纳格尔,“以表彰他们关于光门控离子通道和光遗传学的发现。”

图源:诺贝尔奖委员会

这项技术让科学家能用光,在活体大脑里把单个神经细胞“打开”或“关掉”,从而弄清神经细胞如何塑造记忆、情绪和行为。而这一切,要从一种单细胞藻类“朝着光游”的本事说起。

01

—一个古老的梦:给神经细胞装个开关

1932年,弗吉尼亚·伍尔夫在给朋友的信里写道,自己的大脑是“最不可理喻的机器,总在嗡嗡作响、翱翔、咆哮、俯冲,然后又陷进泥里”。重1.3 公斤左右的大脑,为何能装下童年记忆、白日梦和创造力?又如何成为喜悦、爱与嫉妒的源头,同时掌管心跳的快慢、呼吸的节律和睡眠周期?



图2. 科学家们曾梦想用一个“开关”来控制神经细胞。

插图:马蒂亚斯·卡尔伦(Mattias Karlén)

20世纪,研究者已能找出大脑哪些区域负责哪些功能,但当时的方法相对粗糙,无法证明某一类神经细胞会直接导致某种感受或行为。由此画出的大脑图景,就像一张模糊的照片,缺了许多细节。

梦想更精确工具的人里,有一位大名鼎鼎:1962 年诺贝尔奖得主弗朗西斯·克里克(Francis Crick)。在发现 DNA 双螺旋几十年后,他转而研究人类意识的机制,设想能在活体大脑里激活单个神经细胞。神经信号极其迅速,他推断,要跟上这个速度,也许最理想的办法是用光,如果分子生物学家能让神经细胞对光做出反应,就有可能控制神经活动。克里克自己也承认,这个想法听起来有些异想天开,但也许并非不可能。

02

—赫格曼的好奇心:衣藻为何反应这么快

故事的起点是一位研究者的好奇心。20 世纪 90 年代初,位于马丁斯里德的马克斯·普朗克生物化学研究所的彼得·赫格曼问了一个简单的问题:单细胞藻类衣藻(Chlamydomonas),为什么对光反应得这么快?


图3. 衣藻(Chlamydomonas)通过眼点感知光线。当光线足够强时,它会朝光源游去。

插图:Mattias Karlén

衣藻以“趋光游动”闻名:把这种绿藻搅进培养皿,水会呈淡绿色;若从一侧照光,绿色就会向光源一侧聚拢,因为微小的藻体都朝着光游去。它们靠一个“眼点”感光,细胞表面一个橙色小点,里面含有捕光分子视黄醛。

赫格曼用极细的电极测量眼点受光照时衣藻产生的电信号,结果令人吃惊:光线到达眼点仅0.5毫秒后,就出现了电脉冲。相比之下,人眼受光后要经过一连串复杂的化学反应,最后一环是一个离子通道,打开后让带电离子流过,产生电信号,整个过程至少需要10毫秒。为什么衣藻的反应,比我们的眼睛快了二十多倍?

赫格曼只想到一种解释:衣藻里的过程要简单得多。90 年代初,他提出假说,同一个蛋白复合体既负责捕光,又充当离子通道。但这个想法遭到了质疑:当时已知的离子通道种类繁多,却没有一种能单独对光作出反应。

03

—青蛙卵里的发现:通道视紫红质诞生

为了验证假说,赫格曼试图把衣藻的感光蛋白分离出来,却事与愿违:这些蛋白一离开藻类眼点的天然环境,就变得不稳定、易受损,很难研究。多年受挫之后,大约在世纪之交,团队迎来转机:日本研究者绘制了衣藻的 DNA 图谱,公开了数千个基因的遗传密码,赫格曼团队从中找到两个与已知捕光蛋白基因高度相似的基因。其中是否有他们要找的蛋白?


图4. 当纳格尔(Nagel)和赫格曼(Hegemann)把衣藻的基因导入青蛙卵后,卵细胞开始合成离子通道蛋白,并将其送到卵细胞表面。研究人员用光照射这些离子通道时,通道随之打开,离子流过通道,产生电信号。

插图:Mattias Karlén

赫格曼联系了法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所的同行格奥尔格·纳格尔。纳格尔习惯用青蛙卵细胞研究蛋白:他把两个基因的拷贝分别注入不同的青蛙卵,卵细胞随即大量合成这两种未知蛋白,并把它们送到细胞表面的膜上。他很快验证,赫格曼十年前的假说是对的:这两种新发现的蛋白,正是遇光会打开的离子通道。

它们被命名为通道视紫红质-1 和通道视紫红质-2(channelrhodopsin-1、-2),后者为光遗传学铺平了道路。纳格尔的实验显示,通道视紫红质-2 对光脉冲的反应又强又快:0.2 毫秒内,青蛙卵细胞表面就打开通道,带正电的离子涌入,产生电信号。

两人意识到这是革命性的发现。他们把通道视紫红质-2 的基因导入人类胚胎肾细胞和仓鼠肾细胞,这些细胞也都变得对光敏感,见光就产生电信号。2003 年,赫格曼和纳格尔发表了研究结果,提出通道视紫红质-2 可以作为一种强大的工具,用光在细胞中产生电脉冲。之后,一位斯坦福大学的年轻科学家接过了接力棒。

04

—戴瑟罗特:从精神科诊室走向“光开关”

上世纪 90 年代,卡尔·戴瑟罗特开始学医,曾考虑做神经外科医生,但部分培训是在精神科诊所完成的。在那里,患者的痛苦和对帮助的渴求给他留下深刻印象,他也开始思索:为什么同一个大脑,在不同人身上运作得如此不同?抑郁症患者为什么那么难感到快乐?自闭症、精神分裂症的妄想又由什么引起?


图5. 戴瑟罗特(Deisseroth)把编码通道视紫红质-2的基因导入他在培养皿中培养的神经细胞,使这些神经细胞对光敏感。研究人员用蓝光照射,就能触发快速的神经信号。

插图:Mattias Karlén

在攻读医学的同时,他也拿到了神经科学博士学位。在实验室里,他用薄薄的脑切片放在培养皿中观察,收获了重要见解,但他意识到,要理解诊室里见到的疾病,必须研究活体大脑里的神经细胞如何工作。当时也有其他研究者在尝试开发克里克设想的那种方法,但不少人担心把时间和经费花在一个看似不切实际的梦想上。戴瑟罗特意识到,自己必须冒失败的风险:他能为患者提供的治疗往往效果不佳、副作用严重,要找到更好的办法,就得更深入地理解大脑。

他组建自己的研究组后,开始寻找能触发神经细胞电脉冲的蛋白。听说通道视紫红质-2 的发现后,他写信给纳格尔,请求提供编码该蛋白的 DNA。DNA 寄到后,他把它导入培养皿中的大鼠神经细胞。他担心娇嫩的神经细胞会排斥外来基因,但细胞开始制造通道视紫红质-2,没有明显问题。用蓝光照射,细胞立刻作出反应:光触发的神经信号还能传给其他神经细胞。2005 年,团队发表了这一发现。

05

—蓝光一照,神经信号即刻产生

2006年,这一方法被命名为“光遗传学”。一年后,戴瑟罗特成功在活体小鼠大脑中激活了神经细胞:他们把基因送进小鼠运动皮层的特定类型神经细胞,再通过颅骨上的一个小孔插入细光纤照射,从而控制了小鼠胡须的运动。


图6. 戴瑟罗特(Deisseroth)的研究组把通道视紫红质-2 的基因送入活体小鼠的大脑,再把一根细光纤插入脑中。他们通过光纤照射神经细胞时,触发了神经信号,引起小鼠胡须的运动。

插图:Mattias Karlén

同年,他与其他研究者合作,用光遗传学“叫醒”了熟睡的小鼠:他们把通道视紫红质-2 导入一类新发现的、怀疑与觉醒有关的神经细胞,光一照,小鼠就醒了,证实了假设。2012年,他与利根川进(1987 年诺贝尔奖得主)合作,成功激活了一个记忆印迹(engram):研究者先观察小鼠经历恐惧时,哪些神经细胞似乎形成了对这件事的记忆;之后再激活这些细胞,小鼠即使并不处于危险中,也表现出恐惧。这是首次有实验能明确证明,哪些神经细胞是形成某个特定记忆所必需的。

06

—光遗传学改写了什么

成年人的大脑约有900亿个神经细胞,每个又与其他细胞形成数千个连接。很多时候,一个神经细胞的通路会延伸到大脑完全不同的区域,而掌管截然不同身体功能的神经细胞,又可能紧紧交织在一起。有了光遗传学,研究者就能准确找出,在这团错综复杂的“线团”里,究竟是哪些神经细胞在控制哪些功能。

已找到的回路:控制痛觉、社交行为、口渴、进食、奖赏和注意力的神经回路;从调节昼夜节律,到免疫系统激活时引起发热的神经细胞。

更复杂的行为:研究小鼠如何照顾幼崽时发现,行为的不同组成部分由不同回路控制,一个回路管着把幼崽聚拢到窝里,另一个回路管着给幼崽梳理毛发。

大脑之外:戴瑟罗特证明,心跳节律会影响情绪,若迫使心脏更用力地工作,会加重焦虑感;其他研究者还找到了肠道中的特定细胞,可以解释为什么有些人宁愿吃糖也不吃代糖。

07

—从实验室走向病床

光遗传学带来的知识,有望转化为新的医学治疗,这一希望已开始显现。它让人们对抑郁症、焦虑症、精神分裂症、阿尔茨海默病、帕金森病等精神和神经疾病的特征有了更深的理解。

研究者也迈出了把它用作治疗手段的第一步:在进行中的临床试验里,他们尝试让因视网膜色素变性(一种破坏视杆和视锥细胞的疾病)而失明的患者恢复视力。给一位盲人的视网膜植入类似通道视紫红质的蛋白后,患者恢复了部分视力,借助发光的特殊眼镜,能分辨并抓取桌上的物体。此外,也有人希望光遗传学能改进人工耳蜗:目前的植入体靠电刺激听神经,如果改用光遗传学,也许能更精确地激活听神经。

08

—三位得主,和一份更长的名单

卡尔·戴瑟罗特,1971年生,1998年获斯坦福大学博士学位,2000 年获医学博士学位,现为斯坦福大学生物工程与精神病学和行为科学教授,并任职于霍华德·休斯医学研究所(HHMI)。

彼得·赫格曼,1954年生,1984年在马克斯·普朗克生物化学研究所获博士学位,现为柏林洪堡大学神经科学教授。获奖的发现是在德国马丁斯里德的马克斯·普朗克生物化学研究所完成的。

格奥尔格·纳格尔,1953年生,1988 年在法兰克福大学获博士学位,现为维尔茨堡大学分子植物生理学教授。获奖的发现是在德国法兰克福的马克斯·普朗克生物物理研究所完成的。

值得一提的是,光遗传学并非只有这三个名字。此前,这个领域已多次获得奖项肯定:2012年的 Zülch 奖授予恩斯特·班贝格(Ernst Bamberg)、戴瑟罗特、赫格曼和纳格尔四人;丹麦的脑科学奖和美国文理科学院的拉姆福德奖,名单中还包括爱德华·博伊登(Edward Boyden)和杰罗·米森伯克(Gero Miesenböck);2021年的拉斯克基础医学研究奖,则授予了赫格曼、戴瑟罗特和迪特·奥斯特黑尔特(Dieter Oesterhelt)。诺贝尔奖每个奖项至多授予三人,这让一些同样作出贡献的先驱未能同列,也是讨论这一奖项时常被提及的话题。

写在最后,一种单细胞藻类朝着光游动的本能,经过三十年的好奇心、一次次受挫和跨国合作,变成了科学家手里的“光开关”。诺奖委员会主席佩尔·斯文宁松(Per Svenningsson)说,光遗传学为绘制大脑图谱提供了“我们曾经只能梦想”的方式。每天都有新的发现,帮助人类解答最伟大的谜题之一:我们这颗不可思议的大脑,究竟是怎么工作的。

参考

https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2026/popular-information/

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