三位科学家因发现神经元光控开关获诺贝尔奖

人脑重量仅约1.3千克，却承载着记忆、梦境、创造力与喜怒哀乐，同时调控着呼吸、心跳和睡眠。近百年来，科学家始终致力于绘制大脑的"地图"，然而传统研究手段通常只能揭示某个脑区与特定功能之间的关联，难以进一步确定究竟是哪类神经细胞在起作用，更难以证明这些细胞是否直接引发了某种行为。

为神经细胞安装开关，曾是科学家的梦想。

美国科学家卡尔·戴塞洛特、德国科学家彼得·赫格曼和德国科学家格奥尔格·纳格尔，因在光控离子通道和光遗传学领域的发现，共同获得2026年诺贝尔生理学或医学奖。

这三位科学家的研究使科学家得以给神经元安装"光控开关"。他们以一种具有趋光性的单细胞藻类为起点，发现了可被光激活的离子通道，并进一步将这种源自藻类的蛋白质应用于神经细胞的控制。光遗传学由此诞生，使科学家能够在活体大脑中以毫秒级的精度精准操控特定神经细胞。

从一种"追光"的藻类说起

一切源于赫格曼的好奇心。20世纪90年代初，他对一个看似简单的问题产生了兴趣：莱茵衣藻为何能朝向光线游动？

这种单细胞藻类表面的"眼点"可以感知光线——那是细胞表面一个微小的橙色斑点，内含一种能捕获光线的分子，即视黄醛。实验表明，光线照射眼点后仅约0.5毫秒，藻类细胞便会产生电信号。而人眼从接收光线到产生反应，通常至少需要10毫秒。

衣藻依靠其眼点感知光线。当光线足够强时，它便会游向光源。

如此迅捷的反应使赫格曼推测，藻类体内可能存在一种特殊蛋白质，能同时完成两件事：既感知光线，又充当离子通道，将光信号转化为电信号。

这一设想起初并不容易验证。相关蛋白质一旦离开藻类细胞便极不稳定。直到莱茵衣藻基因组研究取得突破，赫格曼团队才发现了两个与光感受蛋白相关的基因。

随后，赫格曼与纳格尔展开合作。纳格尔将这两个基因分别注入蛙卵细胞，使其大量产生相应的蛋白质。实验结果最终揭示，这些蛋白质本身就是可被光调控的离子通道。

当纳格尔和赫格曼将衣藻基因导入蛙卵后，蛙卵开始产生离子通道蛋白，这些蛋白最终出现在卵的表面。研究人员照射这些离子通道时，通道随即打开，离子流过通道，产生电信号。

为细胞安装"光控开关"

其中一种蛋白质后来被命名为"通道视紫红质-2"。它的独特之处在于，只要受到蓝光照射，通道便会迅速打开，带正电的离子随即流入细胞，引发电信号。

更令人振奋的是，它并非只在藻类细胞中有效。

研究人员将编码通道视紫红质-2的基因导入原本不感光的人类胚胎肾细胞和仓鼠肾细胞，结果这些细胞也获得了对光的响应能力。

戴塞洛特将编码通道视紫红质-2的基因导入培养皿中培养的神经细胞，使这些神经细胞对光敏感。研究人员利用蓝光触发了快速的神经信号。

2003年，赫格曼和纳格尔发表研究成果，提出可以利用通道视紫红质-2，通过光线在细胞中产生电信号。

这一发现恰好为科学家多年前的设想提供了现实工具。1962年诺贝尔生理学或医学奖得主弗朗西斯·克里克曾设想，如果能让单个神经细胞对光产生反应，就有可能利用光来控制它们的活动。

关键问题随之而来：这种来自藻类的"光控开关"，能否安装到神经细胞上？

用一束光遥控活体大脑

戴塞洛特给出了答案。

上世纪90年代，戴塞洛特在学医期间曾接触过抑郁症、自闭症和精神分裂症患者。他逐渐意识到，要真正理解这些疾病，仅观察大脑不同区域的活动远远不够。科学家需要知道，某一类神经细胞究竟如何影响具体行为。

通道视紫红质-2提供了这种可能。戴塞洛特将编码这种蛋白质的基因导入大鼠神经细胞，结果神经细胞能够正常产生通道视紫红质-2。蓝光一照，它们立即产生神经信号，并将信号传递出去。

戴塞洛特的研究小组将通道视紫红质-2基因导入活体小鼠的大脑，然后将一根细光纤插入大脑。当他们通过光纤照射神经细胞时，触发了神经信号，从而引起胡须运动。

2005年，戴塞洛特团队发表了这一突破性成果。两年后，他进一步让这种由光控制的"开关"在活体小鼠大脑中发挥作用。他们将通道视紫红质-2导入小鼠运动皮层中的特定神经细胞，再通过光纤向大脑传递蓝光，便能控制小鼠的胡须运动。

光遗传学解锁治疗新可能

这种利用光来控制神经信号的方法，如今被称为"光遗传学"。随着技术的发展，科学家逐渐发现，它不仅有助于解析大脑神经回路，也可能为神经系统疾病的治疗提供新思路。

目前，光遗传学已用于研究抑郁症、焦虑症、精神分裂症、阿尔茨海默病和帕金森病等疾病的神经机制。在临床研究中，科学家还尝试将类似通道视紫红质的蛋白质导入视网膜，帮助视网膜色素变性患者恢复部分视力。一名患者借助特殊眼镜，已经能够辨认并抓取物体。科学家还希望用光信号替代人工耳蜗中的电信号，以更精准地刺激听觉神经。

光遗传学从根本上改变了人们研究大脑的方式。如今，科学家能够借助这项技术精准控制特定神经细胞，进一步探索大脑的工作机制，逐步解开大脑究竟如何运作这一困扰人类已久的谜题。

（图片来源：诺贝尔生理学或医学奖委员会）