用光控制神经元：解读诺奖技术光遗传学背后的科学
卡罗林斯卡医学院将2026年诺贝尔生理学或医学奖授予斯坦福大学的Karl Deisseroth、柏林洪堡大学的Peter Hegemann和维尔茨堡大学的Georg Nagel。他们的发现促成了光遗传学（optogenetics）的诞生——一种让科学家能够用光束开关单个神经细胞的技术。
诺贝尔医学委员会主席Per Svenningsson表示：“光遗传学让我们能以前所未有的方式绘制大脑图谱，这在过去只存在于梦想之中。”没有任何其他技术能如此精确地研究活体大脑，它帮助研究人员更深入地理解神经系统的功能，以及各类神经系统疾病。
但这个奖项不仅仅是神经科学的胜利，它也生动地证明了一个道理：当生物学的不同学科交汇时，能碰撞出怎样的火花——因为光遗传学的理论基础，最初来自微生物学研究。
上世纪末，Peter Hegemann开始了一系列研究，试图弄清单细胞藻类衣藻如何感知光并对光作出反应。此前的研究发现，衣藻有一个“眼点”——其表面一个橙色的小点，里面含有一种叫视黄醛的感光分子。
Hegemann用微型电极测量藻类产生的电信号，进一步揭示了这一结构快速响应的机制。他发现，这种生物在受到光照后约0.5毫秒就能产生电脉冲。这比人眼快20倍——人眼的感光过程至少需要10毫秒。
Hegemann suggested that light detection in the alga must be the result of a much simpler process than that identified in the human eye. In the early 1990s, he proposed that the eye spots contained a protein that both detected the light and responded to it, likely opening as a channel to let ions through. At the time, this hypothesis sparked controversy. Many ion channels had been documented up to that point, but none could respond to light on their own.
为了验证这一理论，Hegemann 尝试从眼斑中分离出光敏蛋白。然而，当这些蛋白离开其自然环境后便变得不稳定。后来，一组日本研究人员对衣藻（Chlamydomonas）的完整 DNA 进行了测序，使 Hegemann 的团队得以识别出两个基因，它们所表达的蛋白具备作为光感通道的预期特征。
Georg Nagel 迈出了验证这些基因功能的关键一步。他将识别出的基因分别复制并导入不同的蛙卵细胞中。这些卵细胞开始表达相应的蛋白，并最终定位到细胞膜上。随后，Nagel 打开了灯光。
这两种蛋白均表现为离子通道，暴露于光下时便会开启。他将这些基因命名为channelrhodopsin-1（通道视紫红蛋白-1）和channelrhodopsin-2（通道视紫红蛋白-2）。进一步的实验表明，由第二个基因（简称 ChR2）编码的蛋白开启速度极快，离子流动仅耗时 0.2 毫秒。这解释了最初在衣藻中观察到的那种令人惊叹的光反应速度。
当研究人员将该基因导入通常对光不敏感的哺乳动物细胞时，这些细胞在受光照射后产生了电信号。正是这一点让神经科学家们格外兴奋。
离子通道在许多类型的细胞中都至关重要，但在我们的神经系统中，它们承担尤为繁重的任务。神经元用于彼此之间以及与身体其他组织之间通信的电信号，正是由细胞内外离子流所介导的。如果你能控制离子通道，就能控制神经元。
卡尔·德伊瑟罗斯（Karl Deisseroth）正是在这时介入的。他一直在寻找一种方法，以便能在活体大脑中精确控制特定神经元的活动。在他看来，这一工具不仅能够深化我们对大脑功能的理解，还能为抑郁症和分裂症等疾病的治疗开辟新途径。
发现 ChR2 后，他向纳格尔（Nagel）索取其 DNA 序列，以便将其导入大鼠神经细胞。培养皿中生长的神经元成功表达出 ChR2，在蓝光照射下立即做出反应，释放出电信号并传递给其他神经元。这一在 2005 年取得的结果具有决定性意义，确立了 ChR2 作为神经科学研究工具的地位。
在接下来的几年里，德伊瑟罗斯、赫格曼（Hegemann）和纳格尔合作，筛选出其他能够利用不同波长的光来激活或抑制神经元的蛋白质。借助这套工具包，研究人员如今可以设计实验，用一种波长的光打开一组神经元，同时用另一种波长的光控制另一组神经元。
“光遗传学”（optogenetics）一词诞生于 2006 年，并已被应用于多种研究中。卡罗林斯卡学院诺贝尔奖委员会在一篇新闻稿中说道：“利用光遗传学，研究人员能够揭示控制特定情感、记忆以及与神经精神疾病相关的行为模式所涉及的神经回路。在临床医学领域，研究人员正尝试运用该方法为视力受损患者恢复视力。”
本文最初发表于 WIRED 西班牙语版，经翻译后发布。