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光遗传学的发现，是生物医学的突破，也是连接物理、基因工程与神经科学的跨学科合作重要成果。
▲当地时间10月5日，瑞典卡罗琳医学院宣布，将本年度诺贝尔生理学或医学奖授予分别来自美国和德国的三位科学家。图/央视新闻
文 | 张田勘
10月5日，瑞典卡罗琳医学院宣布，将2026年的诺贝尔生理学或医学奖授予美国的卡尔·戴塞罗思、德国的彼得·黑格曼和格奥尔格·内格尔，“以表彰他们在光门控离子通道和光遗传学方面的发现”。
德国科学家黑格曼与内格尔的贡献，是在绿藻中发现并分离出光敏感通道蛋白，后者可以操控毫秒级光门控离子通道，由此奠定光敏的分子基础。美国科学家戴塞罗思，则是将光敏蛋白导入哺乳动物神经元并研发了光纤递送法，实现活体动物中对特定神经元的精确开闭调控。
三位获奖者在光门控离子通道和光遗传学方面的发现，彻底改变了神经科学研究范式，使科学家能直接干预并证明神经元与行为及疾病的因果关系，因而对大脑研究及攻克神经系统疾病具有里程碑意义。
长期以来，人们只知道大脑是人体司令部，控制着人的情绪、行为和身体机能，但大脑是如何控制人体的机能，一直让人迷惑不解。20世纪，研究人员开始探索大脑的哪些区域影响哪些功能，却由于当时的研究方法有限，无法证明因果关系。
21世纪初，黑格曼和内格尔发现了一种名为通道视紫红质的藻类蛋白质存在于细胞表面。当蓝光照射到这种蛋白质上时，蛋白质内部会打开一个通道，让带电离子可以流入细胞，产生电脉冲。之后，他们发现，无论将这种蛋白质添加到哪种细胞中，细胞都会变得对光敏感。
戴塞罗思的研究，进一步解开了大脑与光线刺激之谜。他将通道视紫红质基因导入大鼠的神经细胞中，用蓝光照射这些细胞，后者产生了神经信号。这个成果于2005年发表。两年后，戴塞洛斯采用这一光控神经细胞开关，在活体小鼠的大脑中也获得了同样的结果。
此后，这种利用光来控制神经信号的方法被称为光遗传学，并在全球范围内的疾病诊断和治疗中产生了重大作用。
过去，研究人员主要依靠电刺激或药物也即化学方法来研究大脑，但这两者都有短板。电刺激虽然达到毫秒级的快速，却会眉毛胡子一把抓，同时激活刺激针周围的所有细胞。药物刺激虽然可以选择性作用于某种受体，但生效太慢，且无法随时关掉刺激。
光遗传学则完美解决了这两个缺点。光遗传学利用基因工程让特定的神经元长出光控开关，即光敏蛋白，再用激光照射。光一打开，神经元瞬间激活；光一关闭，神经元立即静息。
这种调控达到了毫秒级的空间与时间的极致精准。由此能确立神经元与行为或者疾病之间的因果关系。
由于能准确定位神经元与疾病的关系，光遗传学极大地加速了人类对帕金森病、抑郁症、焦虑症、精神分裂症、成瘾行为以及癫痫等重度疾病发病机制的理解，并能研发新有效疗法和药物。
光遗传学最实用的应用是，治疗慢性疼痛。慢性疼痛是一种极为常见的疾病，而其本身也被定义为一种独立的复杂疾病。当前，全球成人的慢性疼痛综合患病率约为26.99%，意味着全球每4名成年人中，就有1人正遭受慢性疼痛的折磨。
基于光遗传学的原理，经过基因工程给疼痛传导通路上的神经元装上光控开关，就可以用特定的光瞬间关闭这些神经元的活性，从而阻断痛觉信号传导至大脑。因此，光遗传学不仅能治疗慢性疼痛，也能治疗因疼痛引发的焦虑、抑郁等精神症状。
目前，科学家正在开发红光、近红外光调控工具和无线柔性可降解光纤，让患者可能只需在疼痛部位皮下植入一个微型光芯片，就能通过手机App的一键开关来缓解顽固性疼痛。
目前光遗传学最成熟、唯一进入人体临床试验的是治疗眼病，如视网膜退行性疾病，包括视网膜色素变性、晚期盲症等。比如，患者戴上特制的智能光控护目镜，就能将外界刺激转化为光信号，成功恢复部分视觉感知，能看到和摸到物体。
此外，光遗传学的发现，是生物医学的突破，且直接催生了微型LED、植入式柔性光纤、无线光控芯片等高尖端工程技术的发展，是连接物理、基因工程与神经科学的跨学科合作重要成果。其获得今年的诺贝尔生理学或医学奖，当属实至名归。
撰稿 / 张田勘（科普专栏作家）
编辑 / 何睿
校对 / 柳宝庆
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