2026年诺贝尔生理学或医学奖授予光遗传学研究

弄清如何用光控制脑细胞的科学家们赢得了今年的诺贝尔生理学或医学奖。Karl Deisseroth、Peter Hegemann 和 Georg Nagel 因在“光控离子通道与光遗传学”方面的研究而获奖。

柏林洪堡大学的 Peter Hegemann 和维尔茨堡大学的 Georg Nagel 想弄清楚一种名为 Chlamydomonas（衣藻）的微小单细胞藻类是如何感知光的。感光并非拥有眼睛的动物所独有：整个生物界的生物都利用光来探测周围环境并应对环境变化。即使是单细胞生物也拥有对光作出反应的蛋白质。这些蛋白质被用来趋近或远离光源、产生能量，以及应对一天 24 小时中的各种需求。

Hegemann 和 Nagel 发现，Chlamydomonas（衣藻）拥有一套极其精巧的感光机制，其依赖于一种名为视紫红质通道蛋白（channelrhodopsin）的单一蛋白质。

视紫红质通道蛋白嵌入藻类细胞的外膜中。该蛋白质的一部分朝向细胞外的水环境，另一部分则朝向细胞内部。这种蛋白质还含有一种名为视黄醛的小分子，它能够吸收光。

当光照射到视紫红质通道蛋白内部的视黄醛时，视黄醛会改变形状。这使得视紫红质通道蛋白也随之改变形状。这种变化在细胞膜上打开了一个微小的通道。包括钠在内的带正电粒子便可以顺着水流从藻类外部进入细胞内。这种带电粒子的移动在藻类内部传递了一个信号，帮助它游动。

解决了这样一个有趣的生物学问题固然令人惊叹，但这为什么能获得诺贝尔生理学或医学奖呢？答案在于神经细胞的工作方式。神经细胞利用带电粒子（称为“离子”）跨膜移动来控制其活动。当带正电的粒子流入神经细胞时，会使该细胞更加活跃。

研究人员意识到，如果他们能将视紫红质通道蛋白置入神经细胞，或许只需用光照射就能将这些细胞激活。这正是 Hegemann、Nagel 以及第三位诺贝尔奖得主——加州斯坦福大学的精神科医生兼生物工程师 Karl Deisseroth——随后所做的事情。

用光激活神经细胞

用光控制神经细胞的能力被称为光遗传学。它已成为一种强大的研究工具，因为科学家可以利用它来开启和关闭特定的神经细胞群，并观察会发生什么。

首先，科学家将视紫红质通道蛋白的基因导入他们想要研究的神经细胞中。该基因通常由一种经过改造、不会致病的病毒携带进入细胞。随后，细胞会制造出视紫红质通道蛋白，从而使它们对光产生反应。

在小鼠等动物身上，科学家可以通过一根细光纤将光导入大脑。当光到达细胞时，视紫红质通道蛋白通道打开，细胞被激活。附近不含该蛋白质的神经细胞则不受影响。

光可以被精准地对准大脑中极小的区域，并且能够极其快速地开关。这使得光遗传学成为研究大脑工作原理的强大手段。例如，如果科学家想了解某一特定神经细胞群是否参与记忆、睡眠、感觉或运动，他们就可以用光激活这些细胞，并观察会发生什么。

在2012年的一项实验中，麻省理工学院的一个团队在特定的笼子里对小鼠施加了温和的电击。他们利用光遗传学标记了大脑记忆中枢中在那次恐惧条件反射实验期间活跃的神经细胞。几天后，在另一个笼子里，他们用光激活了这些细胞。小鼠因恐惧而僵住，仿佛记起了那次电击。

未受电击的小鼠没有僵住，这表明光重新激活了特定的记忆。Deisseroth 是该研究的作者之一。

光遗传学改变了科学家研究大脑和神经系统运作方式的能力。它未来也可能成为一种治疗手段。光遗传学已进入针对视网膜退化患者的早期临床试验。在这些试验中，研究人员将光敏蛋白引入视网膜中残存的神经细胞——此时通常负责感光的细胞（称为视杆细胞和视锥细胞）已经丧失。这可以使存活的细胞对光产生反应，并恢复部分视力。

研究人员还在探索光遗传学是否最终可用于治疗神经系统疾病，包括帕金森病和癫痫。

今年的诺贝尔奖表彰的工作始于一个听起来可能很深奥的问题：衣藻如何游向光？这个问题没有明显的实际重要性。它既没有解决人类健康的迫切需求，也不是一条通往财富的清晰道路。光遗传学的成功说明了不断提出问题、仅仅为了理解我们周围世界的重要性，因为我们无法预测知识将把我们带向何方。