一只会向光游动的单细胞绿藻，为人类研究大脑提供了一把新钥匙。10月5日，2026年诺贝尔生理学或医学奖授予卡尔·戴瑟罗斯、彼得·赫格曼和格奥尔格·纳格尔，以表彰他们“在光门控离子通道和光遗传学方面的发现”。
三位科学家发现并发展出的光遗传学技术，可以用光快速打开或关闭特定神经细胞。借助这只“光开关”，研究人员不再只是观察人在回忆、恐惧或行动时哪些脑区变得活跃，还能进一步验证究竟是哪一组神经细胞、哪一条脑回路直接参与了记忆、情绪和行为。
给特定神经细胞装上“光开关”
光遗传学的起点，是一种名为莱茵衣藻的单细胞绿藻。它虽然没有眼睛，却能够感受光线并向光源游动。
赫格曼和纳格尔发现，衣藻细胞膜上有一种特殊的感光蛋白，当蓝光照来，蛋白就像一扇自动门一样打开，允许带电粒子穿过细胞膜，产生电信号。戴瑟罗斯随后把相关基因导入神经细胞，使神经细胞也拥有了感受光的能力——蓝光一亮，指定的神经细胞便可以被快速激活。分子生物学、生物物理、神经科学、工程学和精神医学交叉，也让今年的奖呈现出鲜明的跨学科色彩。
华东师范大学生命科学学院院长叶海峰教授经常在医学合成生物学课程和研究生前沿课上讲这个案例。在他看来，这个故事很好地说明了，不同领域的基础研究如何在交汇后产生一种全新的工具。
“神经科学长期想回答的问题是，究竟是哪一类神经细胞负责什么功能。”叶海峰告诉新民晚报记者，过去，脑成像可以看到哪些区域与一种行为同时活跃，却很难据此证明两者存在直接的因果关系，传统电刺激则可能把周围不同类型的细胞一起激活，3位得主特别是戴瑟罗斯的工作创造了能精准激活或关闭特定神经细胞的工具。
如果把大脑比作一座线路密布的城市，过去的技术可以看到哪个街区亮了起来，却很难辨认究竟是哪一条线路发挥作用。光遗传学则像给指定线路单独装上开关——打开这组细胞，观察某种行为是否出现；再把它关闭，看行为是否消失。脑科学由此从“看到相关”走向“验证因果”。
复旦大学脑科学研究院教授禹永春以恐惧记忆研究为例解释，实验中观察到某群神经元在恐惧记忆形成或消退时活跃，只能说明两者存在联系。借助光遗传学，研究人员可以进一步激活或抑制这些神经元，观察动物的恐惧行为会不会随之改变。“这样就能把‘相关’进一步推进到‘因果’。”
“光遗传学真正解决的，是神经科学长期缺少高时空精度调控工具的问题。”上海交通大学变革性分子前沿科学中心特聘教授凌代舜表示，神经活动发生得非常快，而不同类型的神经细胞又高度交错分布，因此研究大脑不仅要“看得见”，更要能够在正确的时间、正确的位置，精准控制特定类型的神经细胞。光遗传学将光敏蛋白的细胞类型特异性与光的高时空可控性结合起来，使研究人员能够快速、可逆地调节特定神经元的活动。
越洋包裹开启“用光研究生命”新篇章
这场技术革命的起点，是一种不以治病为直接目标的好奇心。戴瑟罗斯看到了它进入神经科学的可能，于是开启了这场跨学科接力。纳格尔曾回忆说，2004年，戴瑟罗斯向他索取通道视紫红质2的DNA，纳格尔很快将这份来自绿藻的基因材料从德国寄往美国斯坦福。2005年，戴瑟罗斯团队发表研究，实现了以毫秒级的蓝色光脉冲控制神经元活动。
当时正在欧洲攻读博士学位的叶海峰也关注到了这一进展，并曾通过邮件向相关团队索取实验材料。戴瑟罗斯探索的是如何用光控制神经细胞兴奋，叶海峰和导师思考的则是另一条路线：让光控制基因工作，进而控制胰岛素等治疗物质的产生。
凌代舜也强调了戴瑟罗斯工作的开创性——把藻类研究、生物物理、基因工程和神经科学中的技术集成为一套真正可用的方法，光遗传学改变了脑科学的研究范式，既能在很短时间内控制神经细胞，也能将操作限制在特定位置和特定类型的细胞中，“是真正实现调控神经细胞0到1的工作,它第一次让研究者能够在活体中，以足够精准的时空分辨率选择性操控特定神经细胞，并进一步检验神经活动与行为之间的因果关系。”
从研究脑回路走向治病还有多远？
光遗传学已经开始走出实验室，但临床转化仍处于探索阶段。诺贝尔奖官方介绍中提到了一项视觉恢复研究，曾把对红光敏感的通道蛋白导入一名视网膜色素变性患者仍然存活的视网膜神经节细胞，再配合特殊护目镜提供光刺激，患者随后恢复了部分视觉功能，可以辨认桌面上的高对比度物体。目前，多项相关临床试验仍在开展。
光快而准，可以在很短时间内到达指定位置，并开关神经细胞，但它同样存在照射深度、散射等局限。“光遗传学用于临床疾病治疗，还有很长的路要走。”叶海峰说，正是观察到这些局限，他的团队正在探索用组织穿透能力相对更强的红光和近红外光控制基因表达、细胞信号及治疗物质释放。
博士期间叶海峰就设想通过光控制胰岛素表达，使治疗物质只在需要时释放。如今，这项研究已经开启转化。团队还在探索光控基因编辑和细胞治疗，以及利用光调节溶瘤细菌、溶瘤病毒等。这些研究的共同思路是给治疗过程增加一只可以从外部控制的开关，使治疗尽可能在需要的位置和时间发挥作用。
凌代舜关注的则是光遗传学留下的另一道问题：如果光在深部组织中的穿透和精准递送存在限制，能否利用磁场、声波等具有不同传播特性的物理刺激，实现对深部组织和细胞的精准调控？凌代舜认为，光遗传学建立了一种“外部物理信号—生物信号”转换的调控范式。如果能够建立合适的生物分子或材料接口，就有可能将外部可控的光、电、磁、声等物理刺激，转换为细胞能够识别和响应的信号，进而调节细胞活动及其相关生物过程。从化学生物学和材料科学的角度出发，凌代舜团队正在探索这一更广泛的研究方向，包括开发能够感知并转换外部物理刺激的功能材料和微型纳米换能器，并将其用于神经退行性疾病以及肿瘤、免疫等疾病相关研究，可能为发展下一代无创、精准的生命调控技术提供新的思路。
禹永春认为，“精准识别并调控异常神经环路”，可能成为未来脑疾病干预的一个重要方向。不过，他同时道出该领域的共性现实难题——从动物实验中的神经环路调控走向临床，还要面对基因递送、脑内照明和长期安全性等难题。
（文章来源：上观新闻）
