光控大脑技术解读：诺奖成果如何用绿藻开启神经科学新篇章

一束光照射在培养皿的一侧，微小的绿藻便会迅速朝着光源游动。这种没有大脑的单细胞生物，却拥有对光快速作出反应的能力。从在绿藻中发现感光蛋白，到利用这些蛋白调控神经细胞，2026年诺贝尔生理学或医学奖获得者卡尔·戴塞罗思、彼得·黑格曼和格奥尔格·内格尔等人，将这一微小生命所具备的本领，发展成了探索大脑记忆、感觉与行为的重要研究工具。

20世纪90年代初，黑格曼在研究一种叫衣藻的单细胞绿藻时观察到，光抵达其感光结构“眼点”后，仅约半毫秒便会产生电信号。他据此推测，感知光线和让带电离子通过的功能，可能存在于同一个蛋白质复合体之中，就像细胞表面装有一扇遇光即开的“小门”。尽管当时科学界已经知道多种离子通道的存在，但究竟哪一种能够直接被光调控，尚无定论，因此他的这一理论一度遭到质疑。

历经多年曲折，黑格曼团队终于锁定了两个候选基因，并联系同行内格尔对其功能进行验证。研究人员把这些基因导入蛙卵后，蛙卵开始合成离子通道蛋白。在光照条件下，这些通道会开启，离子随之穿过通道，产生电信号。实验结果表明，新发现的这两种蛋白质正是可被光激活的离子通道，它们被命名为通道视紫红质-1和通道视紫红质-2。更令人振奋的是，将其中一种蛋白质的编码基因导入哺乳动物细胞后，这些细胞同样获得了对光产生电学反应的能力。绿藻的感光能力可以“借”给其他动物细胞，这一发现为另一个研究领域打开了大门。

在诺贝尔生理学或医学奖新闻发布会上，评奖委员会成员阿卜杜勒·马尼拉让人们在脑海中设想一位棋手面对棋盘的情景：他观察棋子布局，回想此前对局，预判对手的应对，权衡各种走法，最后落下一子。要完成这一连串过程，需要大脑中大量神经细胞协同工作。理解这一机制，不仅要把大脑的活动模式与行为关联起来进行观察，还必须确立其中的因果关系。科学家曾设想用一种开关来控制神经细胞，但困难在于，彼此相邻的神经细胞可能承担不同职责，甚至发挥相反作用，而神经活动又在毫秒之间迅速变化。因此，科学家需要一种手段，既能精确锁定特定神经细胞，又能跟上它们的活动节奏，通过改变这些细胞的活动来观察随之产生的行为变化。

精神科医生戴塞罗思正是希望得到这样的工具。他写信给内格尔，请求获取编码通道视紫红质-2的基因信息。收到材料后，他的团队将其导入培养皿中的大鼠神经细胞，使这些细胞合成该蛋白质，并通过蓝光照射成功诱发了神经信号。2005年，戴塞罗思团队发表了相关研究成果，实现了以毫秒级精度用光触发神经细胞活动。后来，这种方法和相关研究领域被命名为光遗传学。此后，戴塞罗思团队利用细光纤将光导入活体小鼠脑内，激活运动皮层中的特定神经细胞，从而控制小鼠胡须的运动。随着工具不断丰富，研究人员还培育出了可由不同波长光激活的感光蛋白，其中一些能促进神经细胞活动，另一些则能抑制其活动。

一道光让小鼠胡须动起来，这只是开端。戴塞罗思与其他研究人员合作，还让小鼠脑中一类与觉醒相关的神经细胞获得感光能力，用光刺激这些细胞后，熟睡的小鼠被唤醒。另一项重要研究则聚焦记忆：研究人员用相关蛋白质标记了小鼠形成恐惧记忆时活跃的一群神经细胞，随后在另一环境中用光重新激活这些细胞，小鼠的恐惧反应随之增强。还有研究把看似完整的行为拆解为不同环节，例如，小鼠将幼崽叼回巢中与为幼崽舔舐身体，涉及不同的神经通路。借助这一工具，研究人员可以弄清大脑中哪一部分、哪一个细胞对应哪种行为，或与特定情绪、记忆相关。

人脑拥有许多小鼠不具备的功能，但不同哺乳动物的大脑也存在相通之处。研究人员可以在动物模型中寻找痴呆、癫痫、成瘾等疾病所涉及的细胞，再借助影像等手段，研究这些发现如何应用于人类。这束光也开始照向临床，已有研究人员尝试利用光遗传学帮助某些视网膜疾病患者恢复部分视觉功能，多项相关临床试验正在进行之中。

黑格曼最初追问的，不过是一种绿藻为何能朝光游动。他沿着这个小小的疑问不断探索，与其他研究者一道，把绿藻感知光的本领变成了研究大脑的工具。基础研究的一个动人之处或许就在于此：我们在提出问题的时候，未必知道答案会指向何方。培养皿中那抹向光聚拢的绿色，最终让我们多了一种理解自身大脑的方式。