正文
「BioMedDaily」
诺贝尔奖官网公布的授奖理由为：“for their discoveries concerning light-gated ion channels and optogenetics”。[1]
从微小绿藻如何感知光线，到如何精确控制神经细胞的活动，三位科学家及其合作者的探索，为人类理解大脑打开了一扇新的窗口。
一束光，如何成为探索大脑的工具？
答案藏在一类特殊的感光蛋白中。借助这些蛋白，科学家能够用光调节选定神经细胞的活动，进一步研究记忆、情绪和行为如何产生。
从观察大脑，到检验神经细胞的功能
当我们回忆往事、感到恐惧或伸手拿起一件物品时，大脑中都有大量神经细胞参与活动。
但观察到某些细胞活跃，并不等于知道它们究竟发挥了什么作用。科学家还需要追问：如果主动激活这些细胞，会发生什么？如果暂时抑制它们，某种行为是否会改变？
光遗传学为回答这些问题提供了重要方法。
它将遗传学与光学结合起来，让选定的细胞表达光敏蛋白，再用特定波长的光调节其活动。遗传学帮助研究者选择目标细胞，光照则帮助控制干预发生的时间和位置。
以经典的通道视紫红质ChR2为例，光照能够促使通道开放，使带正电的离子通过细胞膜，改变膜电位。在适当条件下，这种变化可以触发神经细胞产生动作电位，也就是通常所说的“放电”。
通过不同的光敏蛋白及其改造版本，研究者可以实现对神经活动的激活或抑制。这让科学家得以在复杂的神经网络中，检验特定细胞群与行为之间的因果联系。[2]
Peter Hegemann：从绿藻追光，寻找感光的秘密
这场改变神经科学的探索，一条重要线索来自单细胞绿藻。
莱茵衣藻能够根据光照条件调整运动。对于依赖光合作用的生物来说，感知光线并作出反应，具有直接的生存意义。
但一个微小的细胞，如何把光信号转化为电信号？
Peter Hegemann长期研究衣藻的感光机制，希望找到承担这一过程的关键分子。研究并不顺利：相关蛋白数量少、性质不稳定，仅靠生化分离难以获得答案。
随着候选基因序列被识别，新的研究路径逐渐清晰。Hegemann与Georg Nagel等人合作，将这些基因对应的蛋白放入其他细胞中，检验它们能否在光照下产生电流。
对绿藻趋光行为的追问，由此推进到对感光分子功能的直接验证。[3]
Georg Nagel：证明感光蛋白本身就是离子通道
Georg Nagel及合作者的关键工作，是通过电生理实验揭示这些蛋白如何发挥作用。研究团队在2002年和2003年发表的两项研究中，分别报告了后来被称为通道视紫红质1和通道视紫红质2的蛋白，即ChR1和ChR2。
这些分子的特殊之处在于：感知光与形成离子通道的功能，结合在同一种蛋白之中。光照到来，通道便能够开放，引起跨膜离子流动。尤其关键的是，ChR2在其他细胞中表达后，仍然能够引起快速的光诱导电流和膜电位变化。这意味着，绿藻的感光分子可以成为一种可转移的工具，让原本不具备这种感光能力的细胞，也能对光作出电学响应。
从发现一种自然机制，到获得一种能够用于实验的分子工具，这一步为后来利用光控制神经活动奠定了重要基础。[3][4]
Karl Deisseroth：让“光开关”进入神经科学实验
对于神经科学家而言，接下来的问题十分直接：能否利用这些分子，让神经细胞按照研究者设定的时序活动？
2005年，Karl Deisseroth与Edward Boyden、Feng Zhang、Ernst Bamberg、Georg Nagel合作，报告了利用ChR2对培养神经元进行毫秒级光学控制的研究。这项工作表明，光敏通道能够在神经元中发挥作用，并以足够快的速度和强度驱动神经活动，为精确干预神经信号提供了可行路径。[5][6]
诺贝尔奖官网介绍，Deisseroth将通道视紫红质基因引入大鼠神经细胞，用蓝光触发神经信号，随后又使这种光控方法在活体小鼠的大脑中发挥作用。[1] 此后，Deisseroth及众多研究团队持续完善光敏蛋白、基因递送和光照控制方法，推动光遗传学进入复杂神经回路的研究。
研究者由此能够提出更具体的问题：某一群细胞是否参与焦虑反应？某条神经连接是否影响运动？改变特定回路的活动，会怎样影响动物的行为？从分子发现到工具开发，再到活体实验，光遗传学的发展凝聚了多支团队的持续探索。[5][6]
从理解疾病机制，到探索治疗可能
光遗传学的重要价值，首先体现在它改变了研究大脑和疾病机制的方式。
许多神经系统和精神疾病涉及复杂的细胞与回路变化。通过有针对性的实验干预，研究者可以分析哪些环节参与异常活动，为寻找治疗靶点提供依据。
与此同时，这项技术也推动了临床转化探索，其中一个受到关注的方向是视觉功能恢复。
2021年，《Nature Medicine》发表的一项研究报告，一名视网膜色素变性失明患者在接受光遗传学干预、配合专用眼镜和训练后，恢复了部分视觉功能。这为相关技术在人类疾病中的应用提供了早期证据，但并不意味着恢复正常视力，也不能据此推断其适用于所有失明患者。[7]
将光遗传学进一步用于治疗，还需要解决基因递送、光照到达目标组织、长期安全性及效果稳定性等问题。实验中对神经活动的精确控制，与建立安全有效的临床疗法之间，仍有需要逐步验证的环节。[8]
一束来自基础研究的光
从绿藻感知光线，到神经细胞响应光照，再到利用光研究复杂行为，这条研究路径跨越了生物物理学、分子生物学和神经科学。
最初驱动这些探索的，是一些朴素而具体的问题：绿藻为什么会朝着光运动？感光蛋白如何产生电流？这种机制能否在其他细胞中发挥作用？
对这些问题的持续追问，最终带来了一套改变脑科学研究的方法。
Karl Deisseroth、Peter Hegemann和Georg Nagel及其合作者的工作，让光成为连接分子机制、细胞活动与行为研究的工具，也让人类能够更深入地探索记忆、情绪和行为背后的生物学基础。
参考资料
[1] NobelPrize.org. 2026年诺贝尔生理学或医学奖官方公布信息.
[2] Fenno L, Yizhar O, Deisseroth K. The Development and Application of Optogenetics.
[3] Hegemann P, Nagel G. From channelrhodopsins to optogenetics.
[4] University of Würzburg. Georg Nagel获2020年邵逸夫奖相关介绍.
[5] Lasker Foundation. Light-sensitive microbial proteins and optogenetics.
[6] Boyden ES. A history of optogenetics: the development of tools for controlling brain circuits with light.
[7] Sahel JA, et al. Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy. Nature Medicine, 2021.
[8] Towards translational optogenetics. Nature Biomedical Engineering, 2023.
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