刚刚，三个拿诺奖的科学家，用光蛋白把大脑“拆开”了

就在刚刚， 斯德哥尔摩那通每年准时响起的电话又要拨出去了！

2026年 诺贝尔生理学或医学奖授予三位学者：

卡尔·戴塞罗斯（美国，Karl Deisseroth）、彼得·赫格曼（德国，Peter Hegemann）和格奥尔格·纳格尔（德国，Georg Nagel），以表彰他们“在光门控离子通道和光遗传学方面的发现”。

利用光遗传学，三位研究人员揭示支配特定记忆、情感和行为的神经回路，这些与神经和精神障碍相关。在临床医学中，研究人员正在使用这种方法，试图恢复视力障碍患者的视力，并且使人们对抑郁症、焦虑症、精神分裂症、阿尔茨海默病和帕金森病等精神和神经疾病的特征有了更深入的了解。

因此，光遗传学从根本上改变了我们对大脑的理解，帮助解决人类伟大的谜题之一：大脑是如何运作的。

三位当中， 卡尔·戴塞罗斯（Karl Deisseroth）是 美国神经学家、斯坦福大学精神病学和行为科学教授； 彼得·赫格曼（Peter Hegemann）和 格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel）来自德国，前者是 德国柏林洪堡大学生物物理系教授，其与德国 维尔茨堡大学教授 格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel） 研发的光敏感通道蛋白开创了光遗传学的新领域，还曾获得2020年邵逸夫奖。

显然，光+遗传+大脑成为今年诺贝尔生理学或医学奖的关键方向。

光遗传改变人类对大脑的理解

了解大脑如何形成记忆、情感和行为一直是医学学术界的梦想。

而激活大脑中特定类型神经细胞的能力从根本上改变了我们对这个神奇器官的理解。

成年人的大脑大约有900亿个神经细胞，每个神经细胞都与其他神经细胞形成数千个连接。

在许多情况下，一个神经细胞发出的通路会延伸到大脑完全不同的区域，而控制完全不同生理功能的神经细胞之间也可能紧密交织在一起。

“对我来说，我的大脑是最难以捉摸的机器——它总是嗡嗡作响、高亢激昂、翱翔天际、咆哮咆哮、俯冲盘旋，然后又深陷泥沼。为什么？这股热情究竟是为了什么？”

这是英国女作家弗吉尼亚·伍尔夫（Virginia Woolf）1932年写的一段话。

许多人都和她一样对大脑着迷。

这个只有大约1.3公斤重的器官，怎么能承载童年的记忆、白日梦和创造力？它怎么能成为快乐、爱和嫉妒的根源？它又是如何控制心跳的节奏、呼吸的节律和睡眠周期的？

自古以来，研究人员都在试图解开这个生物学谜团。

20世纪，人类成功地确定了大脑的哪些区域控制着各种生理功能，提供了宝贵的认识，但当时的方法相对粗糙，无法证明某种特定类型的神经细胞直接导致某种感觉或行为。

因此，当时呈现的大脑图像就像一张模糊的照片，缺失了许多细节。

弗朗西斯·克里克（1962年诺贝尔奖得主）是梦想拥有更精确的工具来探索大脑极其复杂的神经细胞网络的人之一。

他在1953年开创性地发现DNA双螺旋结构几十年后，开始研究人类意识的机制，设想了激活活体大脑中单个神经细胞的方法，即快速传递神经细胞中的信号。

为了匹配这种速度，他认为使用光可能是理想的选择。如果分子生物学家能够以某种方式操纵神经细胞并使其对光做出反应，他们或许就能控制神经活动。

然而，克里克也承认，他的想法听起来有些异想天开，但或许并非不可能实现。

但他的好奇心、预见的未来似乎也能成为现实。

20 世纪 90 年代初，德国马克斯·普朗克生物化学研究所的彼得·黑格曼提出了一个简单的问题：单细胞藻类衣藻是如何对光做出如此迅速反应的？

衣藻（Chlamydomonas）以其趋光性而闻名。当研究人员将这种绿藻搅动到培养皿中时，液体会变成淡淡的绿色。如果他们随后照亮培养皿的一侧，绿色就会向光源方向移动，因为微小的藻类会向光源游去。

这些藻类通过眼点感知光线，眼点是细胞表面一个微小的橙色斑点，其中含有一种能捕获光线的分子——视黄醛。

黑格曼研究了藻类的眼点。他利用微型电极测量了衣藻眼点被光照时产生的电信号。藻类的反应速度惊人。光线到达眼点后仅半毫秒，就产生了电脉冲。

与当时研究人员所知的其他生物系统相比，这种反应速度惊人。

例如，光线照射到人眼会触发一系列复杂的化学反应，涉及许多不同的步骤。这条反应链中的最后一个蛋白质离子通道，会在细胞表面形成一个开口，带电离子可以通过该开口流动，从而产生电信号。整个过程至少需要10毫秒。

那么，衣藻对光的反应速度为何比我们人类的眼睛快二十多倍呢？

黑格曼只能想到一种解释这种超快反应：衣藻中的光反应过程必定比人眼中的要简单得多。

20世纪90年代初，他提出了一个假说，即单一的蛋白质复合物既能捕获光又能作为离子通道。

然而，他的提议遭到了质疑。当时，研究人员已经知道许多不同类型的离子通道，但没有一种能够独立地对光做出反应。

为了验证他的假设，黑格曼试图分离衣藻的光敏蛋白。然而，这说起来容易做起来难，当藻类眼点中的蛋白质脱离其自然环境后，它们变得不稳定且容易受损，这使得研究变得困难。

到了千禧年前后，经过多年的挫折，研究小组取得了一项令人瞩目的发现：日本研究人员已经绘制了衣藻的DNA图谱，并公布了数千个基因的遗传密码。

其中，黑格曼小组发现了两个与已知的光捕获蛋白基因具有显著相似性的基因。这两个基因中是否就包含他们正在寻找的蛋白质的编码呢？

为了解答这个问题，黑格曼联系了他在法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所的同事格奥尔格·纳格尔，希望能延续这个研究，迈出探索大脑的下一步。

而纳格尔不辱使命，利用青蛙卵细胞研究蛋白质。

当他获得衣藻的两个基因后，分别将它们的拷贝注射到不同批次的青蛙卵中，这些卵随后开始大量产生这两种未知蛋白质，这些蛋白质最终出现在卵细胞表面的细胞膜上。

纳格尔得以研究它们的功能，并很快发现黑格曼十年前提出的假设是正确的：这些新发现的蛋白质是离子通道，在光照下会打开。

这些蛋白质分别被命名为通道视紫红质-1和通道视紫红质-2。

其中，第二种蛋白质作用极大，为光遗传学铺平了道路。

正如黑格曼的实验一样，纳格尔对通道视紫红质-2的表征表明，它对光脉冲的反应异常强烈且迅速：在0.2毫秒内，蛙卵细胞表面便打开了一个通道，带正电荷的离子随后流经该通道，产生电信号。

黑格曼和纳格尔意识到，他们取得了一项革命性的发现。他们将视紫红质-2基因导入人类胚胎肾细胞和仓鼠肾细胞中进行测试。

结果发现，这些细胞对光敏感：当暴露于光线下时，它们会产生电信号。

2003年，黑格曼和纳格尔发表了他们的实验结果。他们提出，通道视紫红质-2可以作为一种强大的工具，利用光在细胞内产生电脉冲。

此后，斯坦福大学的一位年轻科学家接过了接力棒。

上世纪90年代，卡尔·戴塞罗斯开始学习医学时，曾考虑成为一名神经外科医生，但他的一部分培训是在一家精神病诊所完成的。在那里，他被患者的痛苦和他们对帮助的渴望深深触动。

与此同时，他开始思考，为什么不同人的大脑运作方式会如此不同？为什么抑郁症患者难以感受到快乐？自闭症或精神分裂症的妄想症又是由什么引起的？

在攻读医学学位的同时，他还获得了神经科学博士学位。

在实验室里，他使用薄薄的脑组织切片，并在培养皿中进行研究，并取得了一些重要的发现。但他意识到，为了理解他在临床上遇到的疾病，他需要研究活体大脑中神经细胞的功能。如果他想为患者找到更好的治疗方法，就需要对大脑有更深刻的理解。

随后，卡尔·戴塞罗斯组建了自己的研究团队，并且开始寻找一种能够触发神经细胞电脉冲的蛋白质。

他们测试了许多候选蛋白，当卡尔·戴塞罗斯听说视紫红质-2被发现后，他写信给格奥尔格·纳格尔，询问是否可以获得编码该蛋白的DNA。

当DNA送到卡尔·戴塞罗斯的实验室后，他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。

随后，研究人员利用蓝光触发了快速的神经信号。

当研究小组用蓝光照射这些神经细胞时，细胞立即产生了反应。蓝光诱发了一种神经信号，该信号可以传递到其他神经细胞。

2005年，卡尔·戴塞罗斯的研究小组发表了这项里程碑式技术发现。

但卡尔·戴塞罗斯也明白，在他实现控制活体动物神经细胞的活动之前，还有很长的路要走。

随后，卡尔·戴塞罗斯开始了多项合作，其中包括与彼得·黑格曼和格奥尔格·纳格尔的合作。

他还与其他研究人员分享了他的发现，他们也意识到了这项发现的巨大潜力。在实验团队攻克下，他们很快发现了更多能够开启和关闭神经细胞的蛋白质，这些蛋白质会被不同波长的光激活。

2006年，这种新方法被命名为光遗传学。

一年后，卡尔·戴塞罗斯成功激活了活体小鼠大脑中的神经细胞（图5）。他的研究团队将通道视紫红质-2基因导入运动皮层（大脑中控制运动的区域）的特定神经细胞类型中。

然后，他们通过颅骨上的一个小孔将一根细光纤插入大脑，并用光纤照射这些神经细胞。这使得他们能够控制小鼠胡须的运动。

同年，卡尔·戴塞罗斯与其他研究人员合作，利用光遗传学技术以可控的方式唤醒了熟睡的小鼠。研究小组将通道视紫红质-2导入一种他们新近发现的神经细胞中。

研究人员怀疑，这种神经细胞能够控制小鼠的觉醒。

当他们用光照射这些神经细胞时，小鼠醒了过来，证实了他们的假设。

另一项光遗传学早期著名的研究成果发表于2012年。

卡尔·戴塞罗斯与利根川进（1987年诺贝尔免疫学奖得主）合作，成功激活了记忆痕迹——记忆形成时产生的特定神经通路模式。

研究人员观察了小鼠在恐惧状态下的大脑活动，并记录了哪些神经细胞似乎参与了该体验记忆的形成。之后，当他们重新激活这些神经细胞时，小鼠表现出了恐惧的迹象，尽管当时它们并未处于危险之中。

这是研究人员首次能够精确证明特定记忆所需的神经细胞。

如今，得益于光遗传学技术，研究人员现在可以精确地发现复杂神经束中哪些神经细胞控制着不同的脑功能。

例如，他们已经识别出控制疼痛感、社交行为、口渴、食物摄入、奖赏和注意力的神经回路。他们还发现了负责多种功能的神经细胞，从控制昼夜节律到在免疫系统激活时引发发烧。

当研究人员研究更复杂的行为，例如小鼠如何照顾幼崽时，他们发现一种行为的各个组成部分可以由不同的神经回路控制。例如，一个回路控制小鼠如何将幼崽聚集到巢穴中，另一个回路则调节它们梳理幼崽的方式。

光遗传学还可以用于绘制大脑以外的神经系统和细胞功能图谱。

卡尔·戴塞罗斯已经证明，心律会影响我们的情绪；如果心脏被迫更加努力地工作，就会加剧焦虑感。其他研究人员也发现了肠道中的特定细胞，这些细胞可以解释为什么有些人宁愿吃糖而不是甜味剂，这只是众多例子中的几个。

“光遗传学为我们提供了一种绘制大脑图谱的机会，这是我们过去只能梦想的事情，”诺贝尔生理学或医学奖委员会负责人 Per Svenningsson说道。

人们曾寄希望于利用光遗传学技术获得的知识能够带来新的医疗方法，如今这一希望已开始实现。该方法使人们对抑郁症、焦虑症、精神分裂症、阿尔茨海默病和帕金森病等精神和神经疾病的特征有了更深入的了解。

研究人员也已迈出了将光遗传学应用于医疗领域的第一步。在正在进行的临床试验中，他们试图帮助因视网膜色素变性（一种会破坏眼球视杆细胞和视锥细胞的疾病）而失明的患者恢复视力。

当他们将一种类似通道视紫红质的蛋白质植入一位盲人的视网膜后，该患者恢复了一些视力。佩戴特制的发光眼镜后，该患者能够辨别并抓取桌上的物体。

人们也寄希望于光遗传学能够改进人工耳蜗。

目前，这些植入体使用电刺激听觉神经。如果能够改用光遗传学，植入体或许就能更精确地激活听觉神经。

诺贝尔生理学或医学奖小知识

回顾诺贝尔生理学或医学奖，要从 1901 年说起。

那一年，第一届诺贝尔生理学或医学奖颁给了发现白喉抗毒素的德国科学家 Emil von Behring。

从那以后，这个奖一办就是一百多年。

但中间并非年年都发。

1915、1916、1917、1918 年，第一次世界大战把欧洲实验室的灯光吹灭了四年。

1921 年和 1925 年，没有任何候选工作达到诺贝尔遗嘱里那条 "对人类有最大益处" 的门槛，宁可不发，也不凑数。

1940、1941、1942 年，第二次世界大战又让诺奖沉默了三年。

加起来，从 1901 年到 2024 年，生理学或医学奖一共只颁发了 115 次。

这 115 次里，40 次只给一个人，36 次由两人共享，39 次三人共享。

累计下来，一共 229 人捧走过这个奖杯。

名单里最早冒出来的一张年轻面孔，是 1923 年的加拿大人 Frederick G. Banting。

他因 "发现胰岛素" 获奖时，只有 31 岁，至今仍是这个奖最年轻的得主。

时间再往后走，1929 年，Hans von Euler-Chelpin 拿了诺贝尔化学奖。

他大概不会想到，41 年后，自己的儿子 Ulf von Euler 会在 1970 年捧走诺贝尔生理学或医学奖。

1947 年，生理学或医学奖第一次出现了女性得主 ——Gerty Cori，和她的丈夫 Carl Cori 同台领奖。

这是诺奖史上第一对生理学或医学奖夫妇。

也是在 1947 年，Gerty Cori 之后，女性得主开始一个一个出现在名单上：1977 年的 Rosalyn Yalow，1983 年的 Barbara McClintock，1986 年的 Rita Levi-Montalcini，1988 年的 Gertrude B. Elion，1995 年的 Christiane Nüsslein-Volhard，2004 年的 Linda B. Buck，2008 年的 Françoise Barré-Sinoussi，2009 年同届的 Elizabeth H. Blackburn 与 Carol W. Greider，2014 年的 May-Britt Moser，2015 年的屠呦呦，以及 2023 年的 Katalin Karikó。

13位女性，横跨76年。

其中 Barbara McClintock 是独享 1983 年奖项，她一个人拿了全部荣誉，因为她在玉米里发现的转座子，是那个时代遗传学最孤独也最坚固的一块基石。

1966 年，另一个名字被写进了纪录册。

美国科学家 Peyton Rous 因“发现肿瘤诱导病毒”获奖，时年 87 岁，至今仍是这个奖最年长的得主。

从 31 岁到 87 岁，中间隔着半个多世纪的科学生命。

诺奖从不只奖励年轻人，也不奖励熬资历的人。

1969 年，Jan Tinbergen 拿了诺贝尔经济学奖，而他弟弟 Nikolaas Tinbergen 在 1973 年拿了诺贝尔生理学或医学奖，兄弟俩各据一个领域。

1974 年，诺奖委员会在章程里加了一条规矩：奖原则上只颁给在世的人，除非获奖者在公告发布之后才去世。

2011 年，这条规矩遇到了唯一一次破例。

当年生理学或医学奖得主之一 Ralph Steinman，在委员会公布获奖消息的三天前刚刚去世。

委员会发现这件事后，翻遍章程，最后决定：奖还是照发给他 —— 因为公告发布的那一刻，他们并不知道他已经走了。

还有一个冷知识：截至 2024 年，还没有人两次拿过生理学或医学奖。

现在，时间走到了近十年。

2015 年，屠呦呦因发现疟疾新疗法获奖，同年分享这一奖项的还有发现蛔虫寄生虫感染新疗法的 William C. Campbell 和大村智。

2016 年，大隅良典因发现细胞自噬机制独得奖项。

2017 年，Jeffrey C. Hall、Michael Rosbash 和 Michael W. Young 因发现调控昼夜节律的分子机制获奖。

2018 年，James P. Allison 和本庶佑因发现抑制负面免疫调节的癌症疗法获奖。

2019 年，William G. Kaelin Jr、Peter J. Ratcliffe 和 Gregg L. Semenza 因发现细胞如何感知和适应氧气的可用性获奖。

2020 年，Harvey J. Alter、Michael Houghton 和 Charles M. Rice 因发现丙型肝炎病毒获奖。

2021 年，David Julius 和 Ardem Patapoutian 因发现温度和触觉的受体获奖。

2022 年，就是前面提到的 Svante Pääbo，因古人类基因组研究独得奖项。

2023 年，Katalin Karikó 和 Drew Weissman 因发现核苷基修饰、开发出有效mRNA 疫苗获奖。

2024 年，Victor Ambros 和 Gary Ruvkun 因发现 microRNA 及其在转录后基因调控中的作用获奖。

2025年10月，一年一度的诺贝尔生理学或医学奖揭晓。美国科学家 Mary E. Brunkow、Fred Ramsdell 和日本科学家 Shimon Sakaguchi 三人获奖，理由是他们 "在外周免疫耐受领域的发现"。

那一年的单项奖金是 1100 万瑞典克朗，和 2024 年持平，折合成人民币约 834.526 万元，由三人平分。

从 1901 年到 2025 年，124 年，229 个人，一份越拉越长的名单。

每年 10 月的这通电话打到斯德哥尔摩的某个实验室、某间办公室、某个正在吃晚饭的家庭，背后都是这样一段历史。

去年那三位新得主加入之后，这份名单又长了一行。

今年，它再长了一行。

卡尔·戴塞罗斯，1971 年出生。1998 年获得美国斯坦福大学博士学位，2000 年获得医学博士学位。DH Chen 教授，霍华德·休斯医学研究所和斯坦福大学生物工程和精神病学与行为科学教授。

彼得·黑格曼，1954年出生。1984年获德国马丁斯里德马克斯·普朗克生物化学研究所博士学位。现任德国柏林洪堡大学赫尔蒂神经科学高级教授。他所获的奖项发现均出自德国马丁斯里德马克斯·普朗克生物化学研究所。

格奥尔格·纳格尔，1953年出生。1988年获德国法兰克福大学博士学位。现任德国维尔茨堡大学分子植物生理学与生物物理学系（植物学系一）分子植物生理学教授。他获奖的研究成果是在德国法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所取得的。