2026诺贝尔生理学或医学奖｜一束光，如何成为控制神经元的开关？

2026年诺贝尔生理学或医学奖授予 Karl Deisseroth、Peter Hegemann 和 Georg Nagel，以表彰他们在光控离子通道与光遗传学领域的发现。

这项研究的起点并不在大脑，而是一种能够感知光线、调整运动方向的单细胞绿藻。从研究藻类如何感光，到发现光敏蛋白 Channelrhodopsin，再到利用它控制神经元活动，科学家逐步建立了一种全新的神经科学研究方法：光遗传学（optogenetics）。它让研究人员能够在特定时间操控特定神经元，进一步探索神经活动与行为之间的因果关系。

从一只会趋光的绿藻开始

莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）是一种能够通过鞭毛运动的单细胞绿藻。它可以感知环境中的光，并调整运动方向以适应光照条件。

20世纪90年代，Peter Hegemann开始深入研究这种藻类的感光机制。随后，他与 Georg Nagel 等研究人员进一步探索相关光敏蛋白的功能。2002年，Nagel等人在 Science 发表了有关 Channelrhodopsin-1（ChR1）的研究；2003年，他们进一步报道 Channelrhodopsin-2（ChR2）的光控离子通道特性。

这一发现揭示了一种特殊的生物学机制：光敏蛋白在吸收光后，可以直接调节细胞膜上的离子流动，而不必完全依赖复杂的信号级联反应。

对于神经科学而言，这意味着光有可能成为直接调控细胞电活动的工具。

莱茵衣藻利用眼点感知光线。当光照强度足够时，它会朝光源方向游动。

Channelrhodopsin：把光变成电活动

神经元通过细胞膜两侧的离子分布变化产生电信号，并借此传递信息。Channelrhodopsin为控制这一过程提供了新的途径。

将莱茵衣藻的相关基因导入蛙卵后，蛙卵开始产生离子通道蛋白，这些蛋白最终分布在卵细胞表面。当研究人员用光照射这些离子通道时，通道便会开放，离子随之通过通道流动，从而产生电信号。

当特定波长的光照射表达 ChR2 的细胞时，通道开放，阳离子跨膜流动，使细胞膜发生去极化。在神经元中，这一变化可以触发动作电位。

其基本原理可以概括为：

光刺激 → Channelrhodopsin激活 → 离子流动 → 膜电位变化 → 神经元活动改变

关键问题是：能否将这种光控机制引入神经元，并选择性地控制特定细胞？

Karl Deisseroth及其合作者推动了这一设想的实现。2005年，Boyden、Zhang、Bamberg、Nagel和Deisseroth等人在 Nature Neuroscience 发表了里程碑式研究，证明通过遗传学方法使哺乳动物神经元表达 ChR2，可以利用光刺激快速控制神经元放电。

由此，光遗传学的核心实验逻辑逐渐确立：通过遗传学方法决定控制哪些细胞，再利用光决定何时控制这些细胞。 这种方法将细胞类型选择性与高时间分辨率结合起来，为神经活动操控提供了新的实验工具。

将编码通道视紫红质-2（Channelrhodopsin-2，ChR2）的基因导入培养皿中的神经细胞，使这些神经细胞获得了光敏感性。研究人员利用蓝光刺激，成功触发了快速的神经信号

从观察神经活动到检验因果关系

在传统神经科学研究中，研究人员可以记录神经元活动，并分析其与记忆、运动、奖赏等行为之间的联系。但某类神经元在行为发生时变得活跃，并不意味着它必然驱动了这一行为。

相关，不等于因果。

光遗传学让研究人员能够主动激活或抑制特定神经元群，再观察神经环路活动和行为是否随之改变。研究思路由单纯观察神经活动，进一步转向主动干预并检验其功能后果。

这一技术已被用于学习与记忆、奖赏与动机、运动控制、睡眠及感觉处理等领域，也被用于探索帕金森病、阿尔茨海默病等疾病相关的神经环路异常。与此同时，研究人员不断改造 Channelrhodopsin 及其他微生物视蛋白，开发出能够适应不同实验需求的光遗传学工具。

光遗传学的重要性因此不只在于用光刺激神经元，而在于它改变了研究神经系统的实验方式：研究人员不仅可以记录神经活动，还能在相对精确的时间和细胞群中主动改变神经活动，进一步检验其与行为及疾病相关表型之间的关系。

从神经环路到疾病相关分子机制

神经环路操控结合蛋白检测与组织学分析，有助于探索神经活动与疾病相关分子变化之间的联系。在阿尔茨海默病、帕金森病及其他神经系统疾病研究中，Aβ、Tau、APOE、TREM2、α-突触核蛋白、TDP-43、GFAP 和 NfL 等靶点可用于分析蛋白病理、神经炎症及神经损伤。

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参考文献

1. Nagel G, et al. Channelrhodopsin-1: A Light-Gated Proton Channel in Green Algae. Science. 2002;296:2395–2398.

2. Nagel G, et al. Channelrhodopsin-2: A Light-Gated Proton Channel in Green Algae. PNAS. 2003;100:13940–13945.

3. Boyden ES, et al. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience. 2005;8:1263–1268. DOI: 10.1038/nn1525

4. Deisseroth K. Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience. Nature Neuroscience. 2015;18:1213–1225. DOI: 10.1038/nn.4091