详解2026诺贝尔生理学或医学奖：如何用一束光“操控”大脑？

10月5日，北京时间17时30分，2026年诺贝尔生理学或医学奖在瑞典卡罗林斯卡医学院揭晓，授予卡尔·戴塞罗思（Karl Deisseroth）、彼得·黑格曼（Peter Hegemann）和格奥尔格·内格尔（Georg Nagel），以表彰他们在光控离子通道及光遗传学相关成果的发现。

诺奖官网介绍称，光遗传学 方法使我们得以了解，在活体大脑中神经细胞如何塑造记忆、情感与行为。 彼得·黑格曼 与 格奥尔格·内格尔 在一种单细胞藻类中发现了一种非同寻常的蛋白质 —— 通道视紫红质（channelrhodopsin）。 卡尔·戴塞罗思 将这种蛋白质改造为神经细胞的光控开关。三位获奖者为神经科学的新纪元奠定了基础。

光遗传学获得2026诺贝尔生理学或医学奖

用光控制大脑

如果有一天，有人告诉你：科学家可以在一只自由活动的小鼠脑袋上，接上一根细细的光纤，当蓝光一亮，某一群神经元就开始放电；换一种光，另一群神经元就会安静下来。更关键的是，借助这些光，科学家甚至可以让小鼠醒来、转身、寻找奖励，改变原来的行为。

这听起来多少有点像科幻电影，但这就是光遗传学。

这项技术最厉害的地方，并不是我们终于可以用光去控制大脑，甚至改变行为。而是它让神经科学家第一次拥有了一种足够精确的工具，可以在神经元活动和动物行为之间，真正追问因果关系。

在神经科学领域，有一个难题困扰了人们上百年：当大脑里某一群神经元活动的时候，一种行为也恰好发生了。那么，究竟是这些神经元造成了这种行为，还是它们只是碰巧跟着一起活动呢？

看见相关性，并不等于找到因果关系。而光遗传学真正改变的，就是这件事。

在人类研究大脑的过程中，我们最缺的其实不是一张越来越精细的地图，而是一个足够精确的开关。

科学家们一直梦想能为神经细胞装上开关。© 诺贝尔生理学或医学奖委员会。插图：马蒂亚斯·卡伦

我们很早就学会了把电极插入脑组织，通上电，让附近的神经元兴奋。这个方法速度够快，却有一个很大的麻烦：电流不认识细胞。

一个脑区里，兴奋性神经元、抑制性神经元以及功能完全不同的神经细胞挤在一起。电极一刺激，周围谁离得近，谁就可能受到影响。它很像你想在一栋楼里寻找某个住户，结果却把整层楼的门铃一起按响了。

药物可以更加选择性地影响某些受体和神经递质，但速度又往往赶不上神经元。一个动作电位只有毫秒尺度，药物的作用却可能持续几分钟，甚至几个小时。所以神经科学一直缺少一种工具：既能指定“控制谁”，又能精确决定“什么时候控制”。

早在1979年，发现DNA双螺旋结构的弗朗西斯·克里克就已经意识到了这个问题。晚年的克里克把兴趣转向脑科学。他提出，如果想真正理解大脑，神经科学家必须拥有一种办法，可以只打开或者关闭某一种神经元，同时尽量不影响周围其他细胞。

到了1999年，克里克把这个想法说得更加大胆：理想的控制信号，也许就是光。

如果分子生物学家能够让某一类神经元专门对光产生反应，我们或许就能迅速打开或者关闭它们。

他自己也承认，这个想法在当时听起来颇有些异想天开。可有意思的是，当克里克提出这个梦想的时候，解决问题所需要的零件，其实早已经在自然界存在了几十亿年。

只不过，它们根本不在大脑里。

盐湖里的微生物

早就造好了光开关

1971年，德国科学家迪特尔·奥斯特黑尔特（Dieter Oesterhelt）和瓦尔特·斯托克纽斯（Walther Stoeckenius）在研究一种生活在高盐环境中的微生物时，注意到它们的细胞膜上有一片非常醒目的紫色区域。

他们最终发现，这片“紫膜”中几乎塞满了一种与视黄醛结合的膜蛋白，后来被称为细菌视紫红质。光照到这种蛋白以后，它能够推动质子跨过细胞膜，把光能转变成跨膜的电化学势。

这件事对微生物当然很重要，可看起来和神经科学似乎毫无关系。

盐湖里的古菌当然不知道什么叫记忆、焦虑和抑郁。演化也从来没有打算替人类神经科学家提前设计一种实验工具。它只是为了活下去，造出了一个能够把光转变成离子跨膜运动的分子机器。

可神经元干的事情，恰恰也离不开离子在细胞膜两侧的流动。当足够多的正离子进入神经元，膜电位发生变化，动作电位就可能被触发。

于是，两条原本毫不相干的科学道路，在几十年后渐渐靠近。

奥斯特黑尔特后来回忆，自己最初提出细菌视紫红质能够利用光驱动质子时，他的导师、诺贝尔奖得主费奥多尔·吕嫩并不相信，只是对他说：“我不相信，但希望你是对的。”

这个当初甚至让同行心存怀疑的古怪蛋白，最后却成了光遗传学故事里的第一块基石。

真正关键的零件

藏在一只会追光的绿藻里

不过，质子泵并不是最理想的神经元开关。

真正让事情发生转折的，是一种看上去更加不起眼的单细胞绿藻——莱茵衣藻。

衣藻需要进行光合作用，但它并不是简单地追求“光越强越好”。它必须判断光从哪里来，然后摆动鞭毛，游到最适合自己的光照位置。

衣藻利用其“眼点”感知光线。当光线足够强时，它会游向光源。© 诺贝尔生理学或医学奖委员会。

德国科学家彼得·黑格曼（Peter Hegemann）长期研究的，正是衣藻这种迅速的趋光反应。

经过多年追踪，黑格曼与格奥尔格·内格尔（Georg Nagel）、恩斯特·班贝格（Ernst Bamberg）等人终于抓住了其中的关键分子。

2002年，他们报道了通道视紫红质1；2003年，又证明通道视紫红质2，也就是后来大名鼎鼎的ChR2，是一种可以被光直接打开的阳离子通道。这和前面提到的细菌视紫红质，已经有了很大的不同。

ChR2并不是先感受光，再绕过一长串细胞内信号传递，最后间接影响离子通道。它自己既是光感受器，又是离子通道。蓝光一照，通道直接打开，阳离子随即流过细胞膜。

对于神经科学家来说，这简直像是在自然界的工具箱里，突然翻到了一件量身定做的零件。

于是，一个令人兴奋的问题呼之欲出：如果把绿藻的这个通道装进神经元，会发生什么？

在ChR2之前

已经有人把光变成了“遥控器”

故事讲到这里，很容易产生一种错觉：似乎黑格曼发现了ChR2，卡尔·戴塞罗思（Karl Deisseroth）再把它装进神经元，于是光遗传学就这样诞生了。

但真实的科学发展，从来不会如此简单顺畅。

在ChR2真正进入神经元之前，格罗·米森伯克（Gero Miesenböck）已经证明了一件极其重要的事情：我们确实可以利用遗传学指定一群神经元，再利用光单独控制它们。

2002年，米森伯克团队把果蝇感光系统中的几个关键蛋白装进普通神经元，让这些原本不感光的细胞获得了对光的反应能力。

到了2005年，他和苏珊娜·利马又在果蝇身上做出了一个非常有画面感的实验。他们让特定神经元表达由ATP控制的P2X2离子通道，再向果蝇体内注入被化学“笼子”锁住的ATP。设想很简单：激光一照，被锁住的ATP释放出来，指定的神经元就会被激活。

结果，光脉冲真的能够让果蝇突然跳起、拍动翅膀，甚至启动完整的逃跑行为。

这套系统并不简单。它需要离子通道、被锁住的化学物质和激光共同配合。

但它完成了最关键的一步——概念证明：基因可以决定“遥控谁”，光可以决定“什么时候按下按钮”。

后来，这套把遗传学的选择性与光的时间控制结合起来的思路，被浓缩进了一个名字——optogenetics，也就是光遗传学。

问题在于，米森伯克的系统还是太复杂了。如果想让这套方法真正成为神经科学家能够广泛使用的工具，就必须找到一种更简单、更快、更好用的“遥控器”。

那么，这样的东西存在吗？

2004年凌晨

蓝光第一次拨动神经元

2004年8月4日凌晨，斯坦福大学的实验室里，年轻的爱德华·博伊登（Edward Boyden）还坐在显微镜前。培养皿里的哺乳动物神经元，已经被导入了来自绿藻的ChR2基因。

博伊登用电极记录其中一个神经元，然后打开蓝光。几乎就在蓝光亮起的同时，神经元的膜电位发生变化，并产生了动作电位。博伊登后来回忆，这套系统几乎第一次尝试就奏效了。

于是神经科学界那个令人头疼的难题瞬间有了答案：一个基因，一种膜蛋白，一束蓝光。

光来了，ChR2打开；正离子进入；神经元去极化；动作电位产生。

2005年，博伊登、张锋（Feng Zhang）、班贝格、内格尔和戴塞罗思在《自然·神经科学》发表了这项工作，实现了对哺乳动物神经元放电的毫秒级控制。张锋的重要贡献在于，帮助建立了利用病毒载体把ChR2送进神经元的系统。

而这项技术的发表之所以成为光遗传学真正爆发的节点，在于它把一套原本很复杂的操作，突然变成了一件相对简单的事情。

此后，戴瑟罗斯团队和其他研究者继续建立了细胞特异性的基因表达系统，开发光纤和植入设备，同时又把能够抑制神经元活动的卤视紫红质等工具加入进来。

从此，神经元终于既可以被光“打开”，也可以被光“关闭”。

戴塞洛特将编码通道视紫红质-2的基因导入培养皿中培养的神经细胞，使这些神经细胞对光敏感。研究人员利用蓝光触发了快速的神经信号。© 诺贝尔生理学或医学奖委员会

从“看见大脑活动”到

“追问谁造成了行为”

为什么光遗传学会被视为神经科学的一场革命？

因为它改变了科学家提问的方式。过去，如果发现某一群神经元在小鼠害怕、醒来或者寻找奖励时变得活跃，我们最多只能说：这些神经元可能与这种行为有关。

但有了光遗传学，科学家可以只让这一类神经元表达光敏蛋白，再用光把它们打开或者关闭。

于是，实验逻辑发生了变化：它活动的时候，行为发生；我主动打开它，行为出现；我把它关闭，行为又发生改变。

这和单纯“看到哪里亮了”，能够提供的证据力度完全不同。而这种能力，很快带来了一系列过去难以完成的突破。

2007年，研究人员用光激活下丘脑中参与觉醒的神经元，确实可以把睡着的小鼠唤醒。2012年，利根川进和戴瑟罗斯等人又利用光遗传学，重新激活形成恐惧记忆时活跃的神经元，让小鼠在没有危险的环境中再次表现出恐惧，由此直接触碰到了“记忆印迹”这个过去十分抽象的问题。

此后，科学家又借助这项技术，逐渐找到了参与疼痛、社交、口渴、进食、奖励、注意力、昼夜节律，甚至发热等不同功能的神经环路。

随着研究不断深入，光遗传学的影响也开始走出实验室。

在视网膜色素变性的临床研究中，研究人员把光敏蛋白导入患者视网膜，再配合特殊眼镜，使一名原本失明的患者重新获得了部分视觉，能够辨认并抓取桌面上的物体。

所以，光遗传学真正带给神经科学的，不只是一个新的“开关”。它让科学家能够在复杂的大脑中指定一类神经元，精确改变它们的活动，再直接观察行为和功能究竟会发生怎样的变化。

到底是谁发明了光遗传学？

讲到这里，还有一个绕不开的问题：光遗传学到底是谁发明的？2026年诺贝尔生理学或医学奖，给出了一个阶段性的答案。

卡尔·戴塞罗思、彼得·黑格曼和格奥尔格·内格尔，因为“关于光门控离子通道和光遗传学的发现”，共同获得了今年的诺贝尔奖。

黑格曼从一只会追光的衣藻身上，追问那种快得不可思议的感光反应究竟从何而来；内格尔把衣藻中的候选基因放进蛙卵，最终证明ChR1和ChR2本身就是能够被光直接打开的离子通道；戴塞罗思则把ChR2送进哺乳动物神经元，并一步步将它发展成能够在活体大脑中精确控制特定神经细胞的工具。

但如果因此就把光遗传学简单理解成“三个人发明了一项技术”，这段历史反而会失去它真正动人的地方。

在他们之前，奥斯特黑尔特和斯托克纽斯从盐生微生物的紫膜中发现了微生物视紫红质，揭示了生命怎样把光转变成跨膜离子运动。

弗朗西斯·克里克则早早提出了那个近乎科幻的梦想：如果能够让特定神经元对光产生反应，也许我们就可以精确控制大脑中的神经活动。

而在另一条探索道路上，米森伯克率先证明，遗传学可以决定“控制谁”，而光可以决定“什么时候控制”；班贝格参与了通道视紫红质的重要研究；博伊登、张锋等人又参与了把ChR2真正变成哺乳动物神经科学工具的关键过程。

所以，光遗传学并不是在某一天，突然从某一个实验室里被“发明”出来的。它更像是一场跨越几十年的科学接力。

有人提出问题，有人在看似毫不相关的微生物中找到零件，有人证明这些零件究竟怎样工作，有人第一次把光变成控制神经元的“遥控器”，还有人把这一切真正组装成足以改变整个学科的技术体系。

诺贝尔奖最终只能写下三个人的名字。但这并不意味着，光遗传学只有三位奠基者。真正值得我们尊敬的，是这条漫长科学链条上的所有人。而这或许才是科学最迷人的地方。

策划制作

作者丨李旭 中国科学技术大学生命科学与医学部副教授

审核丨郭晓强 河北体育学院运动人体科学系教授

策划丨潘颖

责编丨王梦如

来源：科普中国

编辑：Karlwater

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