诺奖给了「光控大脑」，合肥如何用「光」研究大脑？

编辑 | 王露微

如果有一束光，可以让大脑里的某一类神经元在毫秒之间开机或者关机，科学家会拿它做什么？

这个问题，在今年的诺贝尔生理学或医学奖中有了答案。

10 月 5 日，2026 年诺贝尔生理学或医学奖授予 Karl Deisseroth、Peter Hegemann 和 Georg Nagel，以表彰他们在光控离子通道和光遗传学领域的发现。

诺贝尔委员会给出的评价很直接：「这项技术让研究人员能够用光控制活体大脑中的特定神经细胞，从而研究神经元如何参与记忆、情绪和行为。」

简单来说，光遗传学做的是给特定神经元装上一把光控开关。

科学家先让目标细胞表达对光敏感的蛋白，再通过光刺激控制这些细胞的活动。相比传统电刺激或药物干预，这种方法最大的价值，是能够把刺激范围和时间控制得更加精准。

这项技术的基础来自一场跨学科的接力。

Hegemann 和 Nagel 研究单细胞绿藻如何感知光，发现了后来成为光遗传学核心工具的 channelrhodopsin。Deisseroth 则进一步把这类光敏蛋白用于神经科学研究，并在哺乳动物神经元中实现光控制。2005 年，相关成果发表后，光遗传学开始迅速进入神经科学研究。

二十多年后，这项技术拿下诺奖。

但诺奖真正值得关注的，并不只是「一束光可以控制神经元」这件事，而是它改变了科学家研究大脑的方式：过去更多是在观察神经元活动，现在可以主动控制某一类细胞，再观察行为和生理变化。

把这个问题拉回合肥，会发现这里已经有研究团队在使用这类工具，继续追问神经系统里那些更细、更快、更复杂的问题。

光照下的 4 毫秒，合肥科学家看到了什么？

2025 年 10 月，中国科学技术大学毕国强、刘北明、陶长路等团队在《Science》发表了一项神经科学研究。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads7954

这项研究解决的不是如何控制神经元，而是一个更加微观的问题：

神经元被激活之后，突触里的神经递质到底是怎么释放、又怎么被快速回收的？

这是神经科学领域争论了几十年的问题。

神经元之间传递信息，离不开突触。一个神经元被激活后，突触前膜附近的囊泡会释放神经递质，将信号传给下一个神经元。

问题在于，这个过程发生得太快了。

它发生在毫秒尺度，而囊泡和细胞膜的结构变化又只有几十纳米。传统成像技术很难同时看清什么时候发生和发生了什么。

于是，毕国强团队把两项技术接到了一起：

光遗传学负责按下开关，快速冷冻负责按下暂停键。

实验中，研究人员让神经元表达光敏蛋白，通过光刺激精准触发动作电位。随后，在刺激后的不同时间点快速冷冻样品，把神经元在不同瞬间的状态定格下来。

他们选择的时间窗口非常短，从 4 毫秒一直到 300 毫秒。

再利用冷冻电镜断层成像观察这些被「冻结」的突触结构。

团队获得了上千套高分辨率的神经突触三维重构数据，并观察到直径约 29 纳米的小型突触囊泡—— 而正常突触囊泡的直径在 42 纳米左右。

进一步分析发现，囊泡释放并不是过去简单理解的两种模式之一，而是经历了一个此前没有被清晰捕捉到的中间过程。

团队据此提出「亲吻 — 收缩 — 逃逸 / 融合」模型。

动作电位触发后约 4 毫秒内，囊泡与突触前膜形成约 4 纳米的融合孔；随后囊泡快速收缩，表面积缩小约一半；大部分小囊泡在约 70 毫秒内以逃逸方式回收，少部分则进一步发生完全融合。

^{图 | 光遗传耦合毫秒快速冷冻 + 冷冻电镜断层成像，解析突触囊泡「亲吻 — 收缩 — 逃逸 / 融合」释放与回收全过程}

这项研究真正有意思的地方，不只是发现了一个新的囊泡释放模型。

而是它展示了一种研究神经系统的新方法：

光遗传学不再只是一个刺激工具，而成为精确控制实验起点的开关；冷冻电镜则负责把随后几毫秒发生的结构变化保存下来。

一个负责让事情发生，一个负责把事情发生的瞬间留下来。

最终，科学家才能看到过去看不到的过程。

这也是诺奖技术进入其他研究体系之后，一个非常典型的变化：工具本身不是终点，真正重要的是它能让科学家看到过去无法看到的东西。

同样是研究光，薛天团队盯上了光进入大脑之后发生的事情

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41593-020-0640-8

自然环境中的光进入眼睛之后，究竟会怎样影响大脑和整个身体？

这也是一个容易被低估的问题。

我们通常把眼睛理解成看东西的器官，但视觉系统并不只负责形成图像。

人类视网膜中还有一类特殊的感光细胞 —— 自感光视网膜神经节细胞（ipRGC）。它们能够直接感知环境光，并把光信号传递到大脑中的不同区域，参与昼夜节律、情绪、代谢等多种生理过程。

薛天团队长期研究的，正是这条从光到生命的通路。

团队近年的研究已经把问题从单纯的视觉，扩展到光对脑功能和生命过程的调控。

例如，团队此前发现，夜间异常光照能够通过特定神经环路影响小鼠的情绪状态；也研究了光信号对血糖代谢、脑发育和学习行为的影响。

据中国科大公开介绍，目前其研究重点包括 ipRGC 光信号转导、光调控脑发育、血糖代谢和情绪的神经机制，以及视觉增强和修复技术。

这里其实出现了一个很有意思的变化。

诺奖关注的是：

怎样用光主动控制神经细胞？

薛天团队关注的则是：

自然环境中的光，本来就在怎样影响我们的神经系统？

一个是人为施加的精准刺激，一个是自然环境中的光信号。

但最终都指向同一个更大的问题：

光和大脑之间，到底存在怎样的关系？

这也是合肥脑科学研究里很有辨识度的一条路线。

它不是单纯研究怎么让人看见，而是在继续追问：当光进入神经系统之后，它还能改变什么？

从实验室到设备，科学岛开始研究怎么调控

如果说前面的研究更多是在回答神经系统发生了什么，那么合肥物质科学研究院智能所正在做的事情，则更接近另一个问题：

能不能把神经信号采集、分析和干预放进同一个系统？

2026 年 4 月，第四届中国（安徽）科技创新成果转化交易会上，中科院合肥物质院智能所运动健康中心丁增辉研究员团队展示了一套脑机大模型成瘾闭环调控设备。

这套设备面向成瘾评估与脑机接口应用场景，核心并不是单一的一项光技术，而是把脑电采集、视觉诱发、信号同步、大模型分析和神经调控组合起来。

设备前端使用 16 导联脑电采集系统获取脑信号，同时进行视觉刺激和行为反应记录；中间由成瘾状态大模型进行分析；随后根据识别结果进行反馈干预。

整个过程形成了：

「刺激 — 采集 — 分析 — 反馈。」

这也是闭环两个字的真正含义。

过去，脑机接口研究往往把采集和干预拆开：先记录脑电，再由研究人员分析；或者先进行刺激，再观察结果。

闭环系统则希望让机器自己完成这一过程。

更值得注意的是，设备采用的核心干预手段，是成瘾性疾病线索诱发下皮层 — 基底节环路的光声靶向调控。

光声靶向调控跟诺奖表彰的光遗传学并不是同一项技术 —— 前者走的是光声物理场的神经调控路径，后者依赖的是基因表达的光敏蛋白。但放在一起看，它提供了一个更接近工程应用的观察窗口：

光相关的物理技术，正在从实验室中的神经科学研究，进一步进入神经调控设备的探索。

在同一方向上，丁增辉团队还联合合肥市第四人民医院开展了远红外干预酒精依赖研究，探索非药物物理干预对患者脑功能和认知的影响。相关成果发表于《Frontiers in Psychiatry》。

从光遗传刺激，到光声调控，再到远红外干预，光在这里已经不再只是观察生命的手段，而开始成为神经调控研究中的一种技术路径。

从实验设备到真正的临床治疗，中间还有很长的路。

但至少在合肥，一些研究已经开始从理解大脑向尝试干预大脑移动。

真正值得看的，是这些技术正在把「大脑」拆得越来越细

把这几个案例放在一起，合肥的脑科学研究并不是一条简单的光遗传学产业链。

它们甚至不是同一项技术。

但它们有一个共同点：

都在试图把大脑这个过去很难直接观察和控制的系统，拆得更细。

毕国强团队面对的是突触。

过去只能知道神经递质发生释放，却很难看到释放过程中每一个瞬间的结构变化。光遗传学提供了一个精准的触发方式，毫秒级冷冻电镜则把这个过程固定下来。

薛天团队面对的是光和神经系统之间的关系。

过去，人们更多把光理解为视觉信息来源；现在，研究者开始进一步追踪光进入神经系统之后，如何影响情绪、代谢、发育和行为。

智能所面对的则是更复杂的神经调控系统。

脑电负责「读取」，AI 负责「判断」，光声等物理刺激负责「干预」，再把干预结果反馈回来。

研究对象从一个突触，到一条神经环路，再到一个可以实时读取和反馈的大脑系统。

尺度在变，工具也在变。

而这恰恰是今天脑科学研究最重要的变化之一：

科学家已经不满足于「看见大脑」，而是在尝试同时获得观察、控制和反馈的能力。

结语

诺奖会奖励发现，但发现本身不会停在斯德哥尔摩。

二十年前，channelrhodopsin 还只是绿藻身上一个不起眼的蛋白。今天，它被接进冷冻电镜的光路里、接进脑电帽的算法里、接进夜间光照和情绪环路的实验里 ——光还是那束光。

但科学家能用它问的问题，已经完全不一样了。

从一个突触里 4 毫秒的融合孔，到一条调控情绪的神经环路，再到一台会自己识别渴求、自己触发干预的设备 ——

合肥做的，是把这束光从论文里，一寸一寸接进真实的研究现场。

下一次诺奖如果落在神经调控，大概不会再是光的故事。

但今天这束光，已经在这里接成了一整条线。