2026诺奖｜光遗传学：一束蓝光，就能精准操控大脑神经元

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·戴塞洛斯（Karl Deisseroth）、彼得·黑格曼（Peter Hegemann）、格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel）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。

从22年开始我就一直在奶光遗传学，一直奶到25年，连续三年落空我都以为诺奖已经忽略了光遗传学，今年就压了几个大热门，结果，你说神奇不，今年就给了光遗传学……

当然，严格的按照诺奖委员会的说法，给的是光门控离子通道和光遗传学方面的发现。

至于这个光控门离子通道，听起来很复杂，但如果把它简化下来解释的话，它就是一个开关。

一个什么开关呢？有光照上去，就能打开的开关。

就有点像周星驰电影里那个经典发明，只有光照的时候才会亮的那个手电筒。

但有很多人会问，这个光照开关有什么用呢？不就是一个光开关吗？调控基因的开关元件好像也不少的样子，为什么只有这个光开关值得一个诺奖呢？

因为这东西在神经科学，或者说是在脑科学的研究上，起到了无可替代的作用。

当然，一开始，谁也没想到这东西能用在脑科学的研究上。

从一只会追光的绿藻开始

这项技术最有意思的地方，是它最早压根跟大脑没什么关系。

莱茵衣藻 Chlamydomonas reinhardtii 是一种单细胞绿藻。它没有眼睛，更没有神经系统，但它会趋光：环境里的光从哪边来，它能感受到，然后调整鞭毛运动，朝合适的方向游。

问题自然就来了：

一颗细胞，究竟是怎么“看到”光的？

Peter Hegemann长期研究的就是这个问题。2002年，Georg Nagel、Hegemann等人在 Science 发表论文，鉴定出后来被称为channelrhodopsin-1的蛋白，并证明它能够形成受光控制的离子通道。[1]2003年，他们进一步描述了后来对神经科学尤其重要的channelrhodopsin-2，也就是ChR2。[2]

ChR2这个东西简直像大自然提前给神经科学家做好了一个电子元件。

它镶嵌在细胞膜上。蓝光一照，蛋白质构象发生变化，通道迅速打开，Na⁺、H⁺等阳离子通过细胞膜，膜电位随之改变。更关键的是，它反应非常快，时间尺度可以达到毫秒级。

而神经元产生动作电位，本来就是在玩膜电位。

所以看到这里，接下来那个脑洞其实已经呼之欲出了：

那我能不能把绿藻的这个“光控开关”，装到神经元上？

2005年，真正改变神经科学的一步发生了

2005年，Edward Boyden、Feng Zhang、Ernst Bamberg、Georg Nagel和Karl Deisseroth在 Nature Neuroscience 发表了一篇后来成为光遗传学奠基性工作的论文。[3]

他们把ChR2的基因导入哺乳动物神经元。

结果蓝光一照，ChR2打开，神经元膜发生去极化，研究人员真的可以用光精确诱发动作电位，而且精度达到毫秒级。[3]

这件事情看起来好像只是给神经元加了个灯控开关，但它解决了神经科学一个特别麻烦的问题。

以前研究大脑，我们非常擅长发现相关性。

动物害怕的时候，发现杏仁核某群神经元特别活跃；获得奖励的时候，又发现另一群神经元放电增加。

但是这里一直有一个经典问题：

它们是真的制造了这种行为，还是仅仅刚好在这个时候活动？

你看到消防车总是出现在火灾现场，并不能因此证明消防车制造了火灾。

神经科学也是一样。

脑区活动和行为同时出现，不等于这个神经活动就是行为的原因。

而光遗传学最厉害的地方，就是可以把这个问题反过来做。

研究人员可以利用遗传学手段，只让某一种神经元表达光敏蛋白，然后把光照到特定脑区：把这群神经元打开，看看行为会不会出现；再把它们关闭，看看行为会不会消失。

于是问题一下从：

“恐惧的时候哪些神经元在活动？”

变成了：

“如果我人为激活这群神经元，能不能制造恐惧？”

这就是从相关性向因果关系迈了一大步。

后来光遗传学迅速被用于研究记忆、恐惧、奖励、成瘾、睡眠、运动、社交行为等等。2011年Deisseroth在 Nature Methods 总结这套技术时，已经把它定义为一种能够以毫秒时间尺度、针对特定细胞类型控制生物学活动的方法。[4]今天它几乎已经成了系统神经科学最基础的一套工具箱。

总结一下，经典光遗传学真正革命性的优势，是它能够针对遗传学定义的特定神经元群体，以毫秒级时间精度控制其活动。

但要注意的是，光遗传学并不是什么无创遥控大脑。

经典动物实验通常需要先通过病毒载体等方式让目标神经元表达光敏蛋白，还经常需要植入光纤把光送进脑组织。

所以这个成为了光遗传学的三个经典问题：怎么把这些基因安全的送进去，同时，又怎么安全的把光送进去，最后，又怎么保证只控制我们想控制的细胞。

可以说，这三个问题成了制约光遗传学在临床上应用的核心之一。

目前离人最近的应用，反而是在眼睛

大脑最大的麻烦是藏在头骨里面，光很难进去；眼睛本来就是一个接受光线的器官。

2021年，Sahel、Roska等人在 Nature Medicine 报告了一名晚期视网膜色素变性患者。他们用AAV让患者残存的视网膜神经节细胞表达一种光敏蛋白ChrimsonR，再配合特殊眼镜向视网膜投射光信号。患者后来能够感知、定位甚至触摸一些物体，这是人类光遗传治疗恢复部分视觉功能的重要概念验证。[5]

但距离常规临床治疗还有很长一段路。病毒载体安全性、免疫反应、光照强度、组织穿透、长期表达以及伦理问题都没有消失。2025年 Nature Neuroscience 专门发表了一篇临床转化路线图，讨论的恰恰就是这些问题。[6]

所以这届诺奖本质上仍然是一个基础科学和科研工具的诺奖，距离临床广泛应用还挺远的，我今年压的那几个方向，反而都是已经在临床上有了广泛应用的技术。

所以这也是诺奖让人头疼的地方，他们一会偏向基础，过两年又跳到应用，确实是在生理学或医学上左右跳跃啊。

最后，onemorething，为什么恰好是这三个人？

从诺奖委员会公开给出的叙事来看，它把这项突破分成了非常清楚的两步。

Hegemann和Nagel解决的是：

大自然里到底有没有这样一个足够快、能够直接被光打开的离子通道？

Deisseroth解决的是：

怎样把这个分子变成控制神经元乃至神经回路的一整套技术。

于是从绿藻蛋白，到神经元开关，再到完整的光遗传学方法，正好形成了一条非常漂亮的技术链。

当然我估计肯定会有人问，那Edward Boyden为什么没有获奖呢？要知道，2018年的Canada Gairdner International Award奖励光遗传学时，获奖者组合还是Hegemann、Deisseroth和Boyden，其中并没有Nagel。

哎，其实要这么讲的话，我还想说，2005年的那个最经典的论文里，张锋也是作者之一呢。对，就是那个错失了CRISPR诺奖的张锋，当时我还说，即便CRISPR没拿到诺奖，也许过几年光遗传学还兴许拿一个，现在看来，两个都没了……

而且这次的问题跟CRISPR那次还真的非常接近，虽然前边的几位科学家开创了研究方向，但张锋特别擅长的是，把一个已经露出巨大潜力的生物学系统，迅速改造成能够在哺乳动物细胞里真正工作的工具。

不过怎么说呢，想给谁不想给谁都还是诺奖委员会，或者说是KI的那帮人的思路，你要说一点没有倾向，那是不可能的，这次张锋还没有CRISPR那次遗憾，这次最遗憾的应该还是Boyden。

但无论如何，光遗传学在生命科学里，尤其是神经科学和脑科学里，已经有了非常重要的作用，比如在我之前的这个关于大脑为什么要删除三岁前的记忆这个回答里：

大脑为什么要删除三岁前的记忆？

幼年小鼠形成记忆后，成年时已经无法自然提取；但利用光遗传学重新激活当初参与编码的齿状回神经元，可以重新诱发相应的记忆行为。

用光遗传学去进行大脑的相关研究，已经成为了相关领域的基础性工作。

甚至在我们在实验室做微生物基因改造的时候，也有一些人习惯在微生物上加装光控开关，来调整微生物的状态，当然我觉得这玩意已经是杀鸡用牛刀了，但你说最开始的时候，这开关，不也是来自于一个单细胞的微生物吗？

参考

^Nagel G, et al. Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae. Science. 2002;296:2395–2398. doi:10.1126/science.1072068.

^Nagel G, et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proc Natl Acad Sci USA. 2003;100:13940–13945. doi:10.1073/pnas.1936192100.

^abBoyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat Neurosci. 2005;8:1263–1268. doi:10.1038/nn1525.

^Deisseroth K. Optogenetics. Nat Methods. 2011;8:26–29. doi:10.1038/nmeth.f.324.

^Sahel JA, et al. Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy. Nat Med. 2021;27:1223–1229. doi:10.1038/s41591-021-01351-4. ​

^Lüscher C, et al. Roadmap for direct and indirect translation of optogenetics into discoveries and therapies for humans. Nat Neurosci. 2025;28:2415–2431. doi:10.1038/s41593-025-02097-9.