24小时热门版块排行榜

返回列表

乐备实LabEx

铁虫 (小有名气)

应助: 0 (幼儿园)
金币: 12.5
帖子: 272
在线: 13.3小时
虫号: 36901515

[交流] 2026年诺贝尔生理学或医学奖深度解读：一束光如何 “指挥” 大脑？

一、奖项揭晓：三位科学家共享殊荣
北京时间 2026 年 10 月 5 日 17 时 30 分，瑞典卡罗林斯卡医学院公布了本年度诺贝尔生理学或医学奖得主 —— 卡尔・戴塞罗思（Karl Deisseroth）、彼得・黑格曼（Peter Hegemann）与格奥尔格・内格尔（Georg Nagel）共同获奖，表彰他们围绕光门控离子通道及光遗传学完成的一系列发现。

按照诺奖官网的表述，光遗传学为人类理解活体大脑中神经细胞如何塑造记忆、情感与行为提供了全新路径。黑格曼与内格尔在一种单细胞藻类体内找到了一种特殊蛋白质 —— 通道视紫红质（channelrhodopsin）；戴塞罗思则将其改造成能够控制神经细胞的光控开关。正是三位科学家的接力，为神经科学翻开了新的一页。

光遗传学获得2026诺贝尔生理学或医学奖

二、用光操控大脑：从 “看见相关” 到 “追问因果”
（1）一个看似科幻的场景
设想这样的画面：一只自由活动的小鼠头顶连接着细细的光纤。蓝光亮起，某一群神经元应声放电；换一种波长的光，另一群神经元随即安静下来。借助这束光，科学家甚至能让小鼠醒来、转身、奔向奖励 —— 行为在眼前被实时改写。

听起来像科幻电影的情节，却是光遗传学每天都在上演的现实。

科学家们一直梦想能为神经细胞装上开关。© 诺贝尔生理学或医学奖委员会。插图：马蒂亚斯·卡伦

（2）神经科学百年的老大难
这项技术的意义，远不止 “用光控制大脑” 本身。它真正的价值，在于给了神经科学家一把前所未有的精密工具，让人们能够在神经元活动与动物行为之间建立真正的因果联系。

长久以来，神经科学始终被一个问题困扰：当某群神经元活跃时，某种行为恰好出现。问题是 —— 是这些神经元 “导致” 了行为，还是它们只是恰好同步活跃？

看到相关性，并不等于找到因果关系。光遗传学改变的，恰恰是这一局面。

对研究大脑的人类而言，最稀缺的从来不是一张越来越精细的脑图，而是一个足够精确的开关。

（3）现有工具的局限
（1）电极的 “粗鲁”：科学家很早就学会把电极插入脑组织，通过通电让周围神经元兴奋。这种方法响应够快，缺点却同样明显 —— 电流不认细胞。一个脑区中，兴奋性神经元、抑制性神经元与功能迥异的各类神经细胞混杂而居，电极一刺激，往往 “殃及池鱼”。好比你想在一栋楼里找到某位住户，结果却按响了整层楼的门铃。

（2）药物的 “迟缓”：药物固然能更有选择性地作用于特定受体和神经递质，但起效速度远追不上神经元。动作电位以毫秒计，药物作用却常持续数分钟甚至数小时。

因此，神经科学始终缺一件工具：既能指定 “控制谁”，又能决定 “何时控制”。

（4）克里克的超前构想
早在 1979 年，DNA 双螺旋结构的发现者弗朗西斯・克里克就已敏锐地意识到这个问题。晚年的他将兴趣转向脑科学，提出：要真正理解大脑，就必须找到一种方法，只打开或关闭某一类神经元，同时尽量不惊扰周围其他细胞。

1999 年，克里克将设想推进得更远：理想的控制信号，也许就是光 —— 如果分子生物学家能让特定神经元对光产生反应，就能迅速打开或关闭它们。

克里克自己也承认，这在当时听来近乎异想天开。有趣的是，当他提出这个梦想时，解决问题所需的 “零件”，其实早在自然界存在了几十亿年 —— 只不过，它们根本不在大脑里。

三、第一块基石：盐湖微生物早已备好 “光开关”
（1）紫膜中的意外发现
1971 年，德国科学家迪特尔・奥斯特黑尔特（Dieter Oesterhelt）与瓦尔特・斯托克纽斯（Walther Stoeckenius）研究高盐环境中的微生物时，注意到其细胞膜上有一片醒目的紫色区域。

进一步分析发现，这片 “紫膜” 几乎填满了一种与视黄醛结合的膜蛋白，后来被称为细菌视紫红质。光线照射下，这种蛋白能推动质子穿越细胞膜，把光能转化为跨膜的电化学势。

对微生物而言，这是生存的智慧；但在当时看来，它与神经科学似乎毫无关联。

（2）两条科学道路的交汇
盐湖古菌自然不懂什么是记忆、焦虑或抑郁，演化也从未打算替神经科学家预先设计实验工具。它只是为活下去，造出了一台把光转变成离子跨膜运动的分子机器。

可神经元的工作，恰恰离不开离子在膜两侧的流动 —— 当足量正离子涌入神经元，膜电位改变，动作电位便可能触发。

两条原本平行的科学道路，就这样在几十年后逐渐交汇。

顺带一提：奥斯特黑尔特后来回忆，当他最初提出细菌视紫红质可利用光驱动质子时，他的导师、诺贝尔奖得主费奥多尔・吕嫩并不相信，只留下一句：“我不相信，但希望你是对的。”

这个曾被同行怀疑的古怪蛋白，最终成为光遗传学故事的第一块基石。

四、关键零件：藏在追光绿藻中的通道
（1）衣藻的趋光本能
质子泵并非理想的神经元开关。真正的转折，来自一种毫不起眼的单细胞绿藻 —— 莱茵衣藻。

衣藻依赖光合作用生存，但它并不简单追求 “光越强越好”。它需要判断光的方位，再摆动鞭毛，游向最适宜的光照位置。这依赖其 “眼点” 感知光线 —— 光线足够强时，它便游向光源。

德国科学家彼得・黑格曼长期研究的，正是衣藻这种迅捷的趋光反应。经过多年追踪，他与格奥尔格・内格尔、恩斯特・班贝格（Ernst Bamberg）等人终于锁定了其中的关键分子。

衣藻利用其“眼点”感知光线。当光线足够强时，它会游向光源。© 诺贝尔生理学或医学奖委员会。

（2）ChR2：一专多能的分子开关
2002 年，他们报道了通道视紫红质 1；2003 年，又证明通道视紫红质 2（即后来广为人知的 ChR2）是一种能被光直接打开的阳离子通道。这与细菌视紫红质已有本质区别。

ChR2 的特别之处在于：它不需要先感受光、再经一长串细胞内信号转导、最后间接影响离子通道。它本身既是光感受器，又是离子通道 —— 蓝光一照，通道直接开启，阳离子随即跨膜流动。

对神经科学家而言，这如同在自然界的工具箱里突然翻到一件量身定做的零件。一个激动人心的问题随之浮现：如果把绿藻的这道通道装进神经元，会发生什么？

五、先行者：光早已被改造成 “遥控器”
故事讲到这里，很容易形成一种错觉：黑格曼发现 ChR2，戴塞罗思把它装进神经元，光遗传学便就此诞生。

真实的科学进程从来不会如此顺遂。

（1）米森伯克的概念证明
在 ChR2 进入神经元之前，格罗・米森伯克（Gero Miesenböck）已经证明了一件极其关键的事：我们完全可以用遗传学圈定一群神经元，再用光单独控制它们。

2002 年，米森伯克团队将果蝇感光系统的几个关键蛋白装入普通神经元，使原本不感光的细胞获得了光反应能力。

2005 年，他与苏珊娜・利马在果蝇身上完成了一个极具画面感的实验：让特定神经元表达由 ATP 控制的 P2X2 离子通道，并向果蝇体内注入被化学 “笼子” 锁住的 ATP。设想很简洁 —— 激光一照，被锁住的 ATP 释放，指定神经元随即激活。

结果，光脉冲真的让果蝇突然跳起、拍动翅膀，甚至触发了完整的逃跑行为。

这套系统并不简单：它需要离子通道、被锁住的化学物质与激光协同配合。但它完成了最关键的一步 —— 概念证明：基因决定 “遥控谁”，光决定 “何时按下按钮”。

后来，这套将遗传学的选择性与光的时间控制相结合的思路，被浓缩为一个名字 ——optogenetics，即光遗传学。

（2）尚待简化的系统
问题在于，米森伯克的系统还是过于复杂。若想让光遗传学真正成为神经科学家随手可用的工具，就必须找到一种更简单、更快、更好用的 “遥控器”。

那么，这样的东西真的存在吗？

六、决定性一跃：2004 年的那束蓝光
（1）深夜实验室的首战告捷
2004 年 8 月 4 日凌晨，斯坦福大学实验室里，年轻的爱德华・博伊登（Edward Boyden）仍坐在显微镜前。培养皿中的哺乳动物神经元，已导入了来自绿藻的 ChR2 基因。

博伊登用电极记录其中一个神经元，随后打开蓝光。几乎在蓝光亮起的瞬间，神经元膜电位发生变化，动作电位随之产生。据博伊登回忆，这套系统几乎第一次尝试便告成功。

神经科学界那个困扰已久的难题，瞬间有了答案：一个基因，一种膜蛋白，一束蓝光。光至，ChR2 开启；正离子涌入；神经元去极化；动作电位产生。

2005 年，博伊登、张锋（Feng Zhang）、班贝格、内格尔与戴塞罗思在《自然・神经科学》发表这项工作，实现对哺乳动物神经元放电的毫秒级控制。其中，张锋的重要贡献在于建立了利用病毒载体将 ChR2 送入神经元的系统。

这项成果之所以成为光遗传学真正爆发的节点，是因为它把一套原本复杂的操作，骤然变得相对简单。

（2）从 “打开” 到 “关闭”
此后，戴塞罗思团队与其他研究者继续推进：建立细胞特异性的基因表达系统，开发光纤与植入设备，并引入卤视紫红质等能够抑制神经元活动的工具。

自此，神经元既可以被光 “打开”，也可以被光 “关闭”。

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。© 诺贝尔生理学或医学奖委员会

七、革命意义：从 “看见大脑活动” 到 “追问行为成因”
（1）提问方式的改变
为什么光遗传学被视为神经科学的革命？因为它改变了科学家提问的方式。

过去，若发现某群神经元在小鼠害怕、醒来或寻找奖励时活跃，我们至多能说：这些神经元可能与这种行为有关。

有了光遗传学，科学家可以只让这一类神经元表达光敏蛋白，再用光将其打开或关闭。实验逻辑由此改变：它活动时行为发生；我主动打开它，行为出现；我关闭它，行为再次改变。

这与单纯 “看到哪里亮了” 相比，证据力度截然不同。

（2）接踵而至的突破
这种能力很快带来一系列此前难以完成的进展：

（1）2007 年，研究人员用光激活下丘脑中与觉醒相关的神经元，成功唤醒了睡着的小鼠。

（2）2012 年，利根川进与戴塞罗思等人借助光遗传学，重新激活形成恐惧记忆时活跃的神经元，使小鼠在无危险环境中再次表现出恐惧，直接触碰了 “记忆印迹” 这一长期抽象的问题。

（3）此后，科学家沿着同样的路径，逐渐定位了参与疼痛、社交、口渴、进食、奖励、注意力、昼夜节律乃至发热等不同功能的神经环路。

（3）走出实验室
随着研究深入，光遗传学的影响也开始溢出实验室的边界。

在视网膜色素变性的临床探索中，研究人员将光敏蛋白导入患者视网膜，配合特殊眼镜，使一名原本失明的患者重新获得部分视觉，能够辨认并抓取桌面上的物体。

可见，光遗传学带给神经科学的，远不止一个新 “开关”：它让科学家能在复杂大脑中指定一类神经元，精确改变其活动，再直接观察行为与功能发生怎样的变化。

八、究竟是谁 “发明” 了光遗传学？
（1）三位获奖者的分工
讲到这里，一个绕不开的问题浮现：光遗传学到底是谁发明的？2026 年诺贝尔生理学或医学奖给出了阶段性的答案。

戴塞罗思、黑格曼与内格尔，因 “关于光门控离子通道和光遗传学的发现” 共同获奖。三人的路径各有侧重：

（1）黑格曼从追光的衣藻出发，追问那种快得不可思议的感光反应从何而来；

（2）内格尔将衣藻中的候选基因放进蛙卵，最终证明 ChR1 与 ChR2 本身就是能被光直接打开的离子通道；

（3）戴塞罗思把 ChR2 送进哺乳动物神经元，并一步步将其发展为能在活体大脑中精确控制特定神经细胞的工具。

（2）一场跨越几十年的科学接力
但如果把光遗传学简单理解为 “三个人发明了一项技术”，这段历史反而会失去真正动人的地方。

在他们之前，奥斯特黑尔特与斯托克纽斯从盐生微生物的紫膜中发现了微生物视紫红质，揭示了生命如何把光转变成跨膜离子运动；弗朗西斯・克里克早早提出了近乎科幻的梦想 —— 若能让特定神经元对光产生反应，也许就能精确控制大脑中的神经活动。

在另一条探索道路上，米森伯克率先证明遗传学可以决定 “控制谁”、光可以决定 “何时控制”；班贝格参与了通道视紫红质的重要研究；博伊登、张锋等人则参与了把 ChR2 真正变成哺乳动物神经科学工具的关键过程。

因此，光遗传学并非在某一天、从某个实验室里突然被 “发明” 出来，而更像一场跨越几十年的科学接力：有人提出问题，有人在看似无关的微生物中找到零件，有人证明零件的工作原理，有人第一次把光变成控制神经元的 “遥控器”，还有人把这一切真正组装成足以改变整个学科的技术体系。

诺贝尔奖最终只能写下三个名字，但这并不意味着光遗传学只有三位奠基者。真正值得尊敬的，是这条漫长科学链条上的所有人 —— 而这，或许正是科学最迷人的地方。