理解大脑如何形成记忆、情感和行为一直是研究人员的梦想。Karl Deisseroth、Peter Hegemann 和 Georg Nagel 因在光遗传学方面的发现荣获2026年诺贝尔生理学或医学奖，光遗传学使得能够开关活体大脑中单个神经细胞的活动成为可能。这种方法现在已被全球实验室采用，以揭示大脑的奥秘。

2026年诺贝尔生理学或医学奖由卡尔·戴瑟罗斯、彼得·赫格曼和乔治·纳格尔联合获得，以表彰他们“在光门离子通道和光遗传学方面的发现”。

许多人对大脑充满兴趣。这个只有约1.3公斤重的器官，怎么能承载童年记忆、白日梦和创造力？它怎么可能成为喜悦、爱与嫉妒的原因？它如何控制心跳节奏、呼吸节奏和睡眠周期？

自古以来，研究人员一直试图理解这一生物学谜团。在二十世纪，他们成功识别出大脑中哪些区域主宰各种生理功能。这提供了宝贵的理解，但当时可用的方法相对粗糙，无法证明某种特定类型的神经细胞直接导致某种感觉或行为。因此，脑部的图像像一张模糊的照片，缺少许多细节。

其中一位梦想拥有更精确工具来探索大脑极其复杂的神经细胞网络的人是弗朗西斯·克里克（1962年诺贝尔奖得主）。在1953年DNA双螺旋的开创性发现几十年后，他开始研究人类意识背后的机制。他设想了激活活脑中单个神经细胞的方法。神经细胞中的信号极其快速。为了匹配这种速度，他得出结论，使用光线可能是理想的选择。如果分子生物学家能够以某种方式操控神经细胞并使其对光做出反应，他们或许能够控制神经活动（见图1）。克里克承认他的想法听起来有些牵强，但也许并非不可能实现。

他对未来的愿景如今已成为现实。Karl Deisseroth、Peter Hegemann 和 Georg Nagel 因发现神经细胞分子开关而荣获2026年诺贝尔奖。利用光，研究人员现在能够开关大脑中的单个神经回路。它们可以让记忆活起来，创造情感，驱动行为，并研究参与各种精神和神经疾病的神经元类型。光遗传学正在从根本上改变我们对大脑的理解。它还为神经系统如何与身体其他部位的细胞相互作用提供了重要见解，比如心脏和肠道。

一切都始于一位研究者的好奇心。20世纪90年代初，马克斯里德马克斯·普朗克生物化学研究所的彼得·赫格曼提出了一个简单的问题：单细胞藻类披衣菌是如何如此迅速地对光反应的？

赫格曼研究游动藻类如何感知光线

披衣菌以其朝光游动的能力而闻名。当研究人员将这种绿藻搅拌到培养皿中时，液体会呈现淡绿色。如果它们照射盘子的一侧，绿色会向光源方向移动，因为微小藻类游向光源（见图2）。藻类通过眼点感知光线，眼点位于细胞表面，内含一种捕光分子——视网膜。

赫格曼研究了藻类眼斑。他利用极小的电极测量了眼斑被点亮时衣原体感染的电信号。藻类反应极快。光线到达眼点后仅半毫秒，出现了电脉冲。

与当时研究人员已知的其他生物系统相比，这一速度非常快。例如，光线到达人眼时会触发一个复杂的化学链式反应，涉及许多不同的步骤。这条链中的最后一个蛋白质——离子通道——在细胞表面形成一个开口，带电离子可以通过它流动，产生电信号。整个过程至少需要10毫秒。那么，披衣菌对光的反应怎么可能比我们自己快20倍以上呢？

藻类中的快速光反应激发了赫格曼的好奇心

赫格曼只能想到一种解释：披衣菌的过程必然比人眼简单得多。1990年代初，他提出了一个假说：单一蛋白质复合物既捕捉光线，又充当离子通道。然而，他的提议遭到了怀疑。当时，研究人员知道许多不同类型的离子通道，但没有一种能单独对光产生反应。

为了验证他的假设，赫格曼尝试分离披衣菌的感光蛋白。然而，说起来容易做起来难。当藻类眼斑中的蛋白质从自然环境中移除时，它们变得不稳定且易受损，难以研究。然而，在千禧年之交，经历多年的挫折后，研究团队发现了一个引人注目的结论。日本研究人员绘制了披衣菌的DNA，并揭示了数千个基因的遗传密码。其中，Hegemann团队发现了两个基因与已知的捕光蛋白基因有显著相似之处。这些中的任何一个可能包含他们寻找的蛋白质的编码？

为回答这个问题，赫格曼联系了一位同事：法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所的乔治·纳格尔。他拥有迈出下一步决定性步伐所需的知识，推动了彻底改变神经科学的发展。

Hegemann和Nagel发现了一种非凡的蛋白质

纳格尔利用青蛙的卵细胞研究蛋白质。当他接收到两个披衣菌基因时，他分别将它们的拷贝注射到不同批次的青蛙卵中，卵子开始大量产生这两种未知蛋白（见图3）。这些蛋白质最终出现在卵细胞表面，也就是周围的膜里。纳格尔随后研究了它们的功能，并很快发现十年前赫格曼提出的假说是正确的：新发现的蛋白质是暴露在光照下会打开的离子通道（见图3）。

这些蛋白质被命名为通道视紫红质-1和通道视紫红质-2。我们将抛开前者，专注于第二者，这为光遗传学铺平了道路。

藻类蛋白激活人体细胞

正如赫格曼的实验一样，纳格尔对通道视紫红质-2的表征表明它对光脉冲反应异常强烈且迅速。青蛙卵细胞表面在0.2毫秒内打开了通道。带正电的离子随后流经通道，产生电信号（见图3）。

赫格曼和纳格尔意识到他们取得了革命性的发现。他们测试将通道视紫红质-2基因引入胚胎人类肾细胞和仓鼠肾细胞。细胞变得对光敏感：当它们暴露在光线下时，会产生电信号。

2003年，Hegemann和Nagel发表了实验结果。他们提出通道视紫红质-2可作为利用光线在细胞内产生电信号的强有力工具。之后，斯坦福大学的一位年轻科学家接过了接力棒。

与精神病患者会面对德塞罗斯来说至关重要

1990年代，卡尔·戴瑟罗特开始学习医学时，曾考虑成为一名神经外科医生，但他的一部分培训是在精神科诊所完成的。在那里，他被患者的痛苦和他们对帮助的需求所震撼。与此同时，他开始思考为什么大脑在不同人身上会有如此不同的工作方式。为什么抑郁症患者觉得很难感受到快乐？自闭症或精神分裂症妄想的成因是什么？

在医学学习的同时，他还获得了神经科学博士学位。在实验室里，他使用薄片脑片，放入培养皿中进行检查。他的研究带来了重要的见解，但他意识到，为了理解临床中遇到的疾病，他需要研究神经细胞在活体大脑中的功能，他需要对大脑有更深刻的理解。

成功了！将藻类蛋白输送到神经细胞

当德瑟罗斯组建自己的研究团队时，他们开始寻找一种可以用来触发神经细胞电信号的蛋白质。他们测试了众多候选，当听说发现了通道视紫红质-2时，他写信给Georg Nagel，询问是否能获得编码该蛋白的DNA。

当DNA到达德塞罗斯的实验室时，他将其导入培养皿中培养的大鼠神经细胞中。他担心敏感神经细胞会因外来基因受到负面影响，但它们开始产生通道视紫质-2，且未出现明显问题。当研究团队将神经细胞暴露在蓝光下时，细胞立即做出反应。这种光会激发一种神经信号，可以传递到其他神经细胞。

2005年，戴塞罗斯的研究团队发表了他们的发现。他们取得了决定性的里程碑，尽管德瑟罗斯明白，他还有漫长的旅程才能实现目标：控制活体动物神经细胞活动的能力。

图4。Deisseroth将编码通道视紫红质-2的基因引入神经细胞，并在培养皿中培养，使神经细胞对光线敏感。利用蓝光，后方人员能够触发快速的神经信号。© 诺贝尔生理学或医学委员会。摄影师：马蒂亚斯·卡尔伦

活脑神经细胞的光遗传调控

卡尔·戴瑟罗特开始了众多合作，包括与彼得·赫格曼和乔治·纳格尔。他还将这一发现分享给了其他理解其巨大潜力的研究人员。在戴瑟罗特实验室的领导下，研究人员很快发现了更多能够激活神经细胞、并被不同波长光激活的蛋白质。

2006年，这一新方法被命名为光遗传学。一年后，戴瑟罗特成功激活了活体小鼠大脑中的神经细胞（见图5）。他的研究团队将通道视紫红质-2基因引入了运动皮层中控制运动的特定神经细胞类型。然后，他们用一根细长的视纤维照射神经细胞，通过颅骨上的一个小孔将视线送入大脑。这使它们能够控制小鼠胡须的运动。

图5。Deisseroth的研究团队将通道视紫红质-2基因传递到活体小鼠的大脑中。随后，他们将一根细光纤插入大脑。当他们通过光纤照射神经细胞时，触发了一个神经信号，诱导胡须的运动。© 诺贝尔生理学或医学委员会。摄影师：马蒂亚斯·卡尔伦

同年，他与其他研究人员合作，利用光遗传学以受控方式唤醒正在沉睡的小鼠。研究团队将通道视紫红质-2引入一种他们怀疑控制清醒的神经细胞类型。当他们照射到神经细胞时，老鼠醒来，证实了假说。

另一篇来自光遗传学初期的著名研究发表于2012年。他与利根川进（1987年诺贝尔免疫学发现奖获得者）共同成功激活了一种记忆图，即记忆形成时形成的特定神经通路模式。研究人员研究了小鼠在经历恐惧时的大脑，并注意到哪些神经细胞似乎构成了该经历的记忆。当他们后来重新激活这些神经细胞时，尽管当时并未处于危险之中，老鼠们表现出了恐惧的迹象。这是首次研究人员能够精确展示特定记忆所需的神经细胞。

神经科学的新纪元

激活大脑中不同类型的神经细胞的能力，从根本上改变了我们对这一神奇器官的理解。成年人类大脑大约有900亿个神经细胞，每个细胞与其他神经细胞形成数千个连接。在许多情况下，神经细胞的通路延伸到大脑完全不同的区域，而控制完全独立物理功能的神经细胞则可能紧密交织。

得益于光遗传学，研究人员现在可以准确发现复杂神经束中哪些控制不同脑功能的神经细胞。例如，他们识别出控制疼痛感、社交行为、口渴、食物摄入、奖励和注意力的神经回路。他们还发现了神经细胞负责多种功能，从控制昼夜节律到免疫系统激活时引发发烧。

当研究人员研究更复杂的行为，比如小鼠如何照顾幼崽时，他们发现行为的各个组成部分可以由独立的神经回路控制。例如，一个回路控制老鼠如何在巢中收集幼崽，另一个则调节它们的梳理方式。

光遗传学还可以用于绘制大脑外的神经系统和细胞功能图谱。Deisseroth已经证明心律会影响我们的情绪;如果心脏被迫更加努力工作，这会加剧焦虑感。其他研究人员发现了肠道中的特定细胞，这些细胞可以解释为什么有些人更愿意吃糖而不是甜味剂，这只是众多例子中的几个。

对新医疗治疗的希望

人们希望通过光遗传学获得的知识能够带来新的医疗治疗方法。该方法加深了对抑郁症、焦虑症、精神分裂症、阿尔茨海默病和帕金森病等精神和神经系统疾病的显著特征的理解。

研究人员也迈出了将光遗传学作为医疗治疗的第一步。在持续的临床试验中，他们试图恢复因视网膜色素变性症（一种破坏视状细胞和视锥细胞的疾病）而失明者的视力。当他们在盲人视网膜中植入类似通道红质的蛋白质时，患者恢复了部分视力。使用发光的特殊眼镜，使用者能够辨别并抓住桌上的物体。

人们也希望光遗传学能够改善人工耳蜗植入。目前，这些植入物通过电流刺激听神经。如果能够采用光遗传学，植入物或许能更精确地激活听神经。

光遗传学：神经科学中的变革性方法

Karl Deisseroth、Peter Hegemann 和 Georg Nagel 因其发现并开发出一项极具影响力的工具，彻底改变了神经科学，荣获2026年诺贝尔生理学或医学奖。光遗传学持续揭开人类最大的谜团之一：大脑如何运作。

上文内容翻译自：

www.nobelprize.org/prizes/medicine/2026/popular-information/

www.nobelprize.org/prizes/medicine/2026/summary/

朱玉军感想：

保护和保持好奇心，跨学科思维，合作意识和能力，人文关怀或社会责任等，应该是科学教育的重点！

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