2026年诺贝尔生理学或医学奖授予光遗传学

2026 年诺贝尔生理学或医学奖授予卡尔·戴瑟罗特（Karl Deisseroth）、彼得·赫格曼（Peter Hegemann）和格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel），以表彰他们在光遗传学（optogenetics）上的发现。

图1. 2026年诺贝尔生理学或医学奖 授予卡尔·戴瑟罗斯、彼得·黑格曼和格奥尔格·纳格尔，“以表彰他们关于光门控离子通道和光遗传学的发现。”

图源：诺贝尔奖委员会

这项技术让科学家能用光，在活体大脑里把单个神经细胞“打开”或“关掉”，从而弄清神经细胞如何塑造记忆、情绪和行为。而这一切，要从一种单细胞藻类“朝着光游”的本事说起。

01

—一个古老的梦：给神经细胞装个开关

1932年，弗吉尼亚·伍尔夫在给朋友的信里写道，自己的大脑是“最不可理喻的机器，总在嗡嗡作响、翱翔、咆哮、俯冲，然后又陷进泥里”。重1.3 公斤左右的大脑，为何能装下童年记忆、白日梦和创造力？又如何成为喜悦、爱与嫉妒的源头，同时掌管心跳的快慢、呼吸的节律和睡眠周期？

图2. 科学家们曾梦想用一个“开关”来控制神经细胞。

插图：马蒂亚斯·卡尔伦（Mattias Karlén）

20世纪，研究者已能找出大脑哪些区域负责哪些功能，但当时的方法相对粗糙，无法证明某一类神经细胞会直接导致某种感受或行为。由此画出的大脑图景，就像一张模糊的照片，缺了许多细节。

梦想更精确工具的人里，有一位大名鼎鼎：1962 年诺贝尔奖得主弗朗西斯·克里克（Francis Crick）。在发现 DNA 双螺旋几十年后，他转而研究人类意识的机制，设想能在活体大脑里激活单个神经细胞。神经信号极其迅速，他推断，要跟上这个速度，也许最理想的办法是用光，如果分子生物学家能让神经细胞对光做出反应，就有可能控制神经活动。克里克自己也承认，这个想法听起来有些异想天开，但也许并非不可能。

02

—赫格曼的好奇心：衣藻为何反应这么快

故事的起点是一位研究者的好奇心。20 世纪 90 年代初，位于马丁斯里德的马克斯·普朗克生物化学研究所的彼得·赫格曼问了一个简单的问题：单细胞藻类衣藻（Chlamydomonas），为什么对光反应得这么快？

图3. 衣藻（Chlamydomonas）通过眼点感知光线。当光线足够强时，它会朝光源游去。

插图：Mattias Karlén

衣藻以“趋光游动”闻名：把这种绿藻搅进培养皿，水会呈淡绿色；若从一侧照光，绿色就会向光源一侧聚拢，因为微小的藻体都朝着光游去。它们靠一个“眼点”感光，细胞表面一个橙色小点，里面含有捕光分子视黄醛。

赫格曼用极细的电极测量眼点受光照时衣藻产生的电信号，结果令人吃惊：光线到达眼点仅0.5毫秒后，就出现了电脉冲。相比之下，人眼受光后要经过一连串复杂的化学反应，最后一环是一个离子通道，打开后让带电离子流过，产生电信号，整个过程至少需要10毫秒。为什么衣藻的反应，比我们的眼睛快了二十多倍？

赫格曼只想到一种解释：衣藻里的过程要简单得多。90 年代初，他提出假说，同一个蛋白复合体既负责捕光，又充当离子通道。但这个想法遭到了质疑：当时已知的离子通道种类繁多，却没有一种能单独对光作出反应。

03

—青蛙卵里的发现：通道视紫红质诞生

为了验证假说，赫格曼试图把衣藻的感光蛋白分离出来，却事与愿违：这些蛋白一离开藻类眼点的天然环境，就变得不稳定、易受损，很难研究。多年受挫之后，大约在世纪之交，团队迎来转机：日本研究者绘制了衣藻的 DNA 图谱，公开了数千个基因的遗传密码，赫格曼团队从中找到两个与已知捕光蛋白基因高度相似的基因。其中是否有他们要找的蛋白？

图4. 当纳格尔（Nagel）和赫格曼（Hegemann）把衣藻的基因导入青蛙卵后，卵细胞开始合成离子通道蛋白，并将其送到卵细胞表面。研究人员用光照射这些离子通道时，通道随之打开，离子流过通道，产生电信号。

插图：Mattias Karlén

赫格曼联系了法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所的同行格奥尔格·纳格尔。纳格尔习惯用青蛙卵细胞研究蛋白：他把两个基因的拷贝分别注入不同的青蛙卵，卵细胞随即大量合成这两种未知蛋白，并把它们送到细胞表面的膜上。他很快验证，赫格曼十年前的假说是对的：这两种新发现的蛋白，正是遇光会打开的离子通道。

它们被命名为通道视紫红质-1 和通道视紫红质-2（channelrhodopsin-1、-2），后者为光遗传学铺平了道路。纳格尔的实验显示，通道视紫红质-2 对光脉冲的反应又强又快：0.2 毫秒内，青蛙卵细胞表面就打开通道，带正电的离子涌入，产生电信号。

两人意识到这是革命性的发现。他们把通道视紫红质-2 的基因导入人类胚胎肾细胞和仓鼠肾细胞，这些细胞也都变得对光敏感，见光就产生电信号。2003 年，赫格曼和纳格尔发表了研究结果，提出通道视紫红质-2 可以作为一种强大的工具，用光在细胞中产生电脉冲。之后，一位斯坦福大学的年轻科学家接过了接力棒。

04

—戴瑟罗特：从精神科诊室走向“光开关”

上世纪 90 年代，卡尔·戴瑟罗特开始学医，曾考虑做神经外科医生，但部分培训是在精神科诊所完成的。在那里，患者的痛苦和对帮助的渴求给他留下深刻印象，他也开始思索：为什么同一个大脑，在不同人身上运作得如此不同？抑郁症患者为什么那么难感到快乐？自闭症、精神分裂症的妄想又由什么引起？

图5. 戴瑟罗特（Deisseroth）把编码通道视紫红质-2的基因导入他在培养皿中培养的神经细胞，使这些神经细胞对光敏感。研究人员用蓝光照射，就能触发快速的神经信号。

插图：Mattias Karlén

在攻读医学的同时，他也拿到了神经科学博士学位。在实验室里，他用薄薄的脑切片放在培养皿中观察，收获了重要见解，但他意识到，要理解诊室里见到的疾病，必须研究活体大脑里的神经细胞如何工作。当时也有其他研究者在尝试开发克里克设想的那种方法，但不少人担心把时间和经费花在一个看似不切实际的梦想上。戴瑟罗特意识到，自己必须冒失败的风险：他能为患者提供的治疗往往效果不佳、副作用严重，要找到更好的办法，就得更深入地理解大脑。

他组建自己的研究组后，开始寻找能触发神经细胞电脉冲的蛋白。听说通道视紫红质-2 的发现后，他写信给纳格尔，请求提供编码该蛋白的 DNA。DNA 寄到后，他把它导入培养皿中的大鼠神经细胞。他担心娇嫩的神经细胞会排斥外来基因，但细胞开始制造通道视紫红质-2，没有明显问题。用蓝光照射，细胞立刻作出反应：光触发的神经信号还能传给其他神经细胞。2005 年，团队发表了这一发现。

05

—蓝光一照，神经信号即刻产生

2006年，这一方法被命名为“光遗传学”。一年后，戴瑟罗特成功在活体小鼠大脑中激活了神经细胞：他们把基因送进小鼠运动皮层的特定类型神经细胞，再通过颅骨上的一个小孔插入细光纤照射，从而控制了小鼠胡须的运动。

图6. 戴瑟罗特（Deisseroth）的研究组把通道视紫红质-2 的基因送入活体小鼠的大脑，再把一根细光纤插入脑中。他们通过光纤照射神经细胞时，触发了神经信号，引起小鼠胡须的运动。

插图：Mattias Karlén

同年，他与其他研究者合作，用光遗传学“叫醒”了熟睡的小鼠：他们把通道视紫红质-2 导入一类新发现的、怀疑与觉醒有关的神经细胞，光一照，小鼠就醒了，证实了假设。2012年，他与利根川进（1987 年诺贝尔奖得主）合作，成功激活了一个记忆印迹（engram）：研究者先观察小鼠经历恐惧时，哪些神经细胞似乎形成了对这件事的记忆；之后再激活这些细胞，小鼠即使并不处于危险中，也表现出恐惧。这是首次有实验能明确证明，哪些神经细胞是形成某个特定记忆所必需的。

06

—光遗传学改写了什么

成年人的大脑约有900亿个神经细胞，每个又与其他细胞形成数千个连接。很多时候，一个神经细胞的通路会延伸到大脑完全不同的区域，而掌管截然不同身体功能的神经细胞，又可能紧紧交织在一起。有了光遗传学，研究者就能准确找出，在这团错综复杂的“线团”里，究竟是哪些神经细胞在控制哪些功能。

已找到的回路：控制痛觉、社交行为、口渴、进食、奖赏和注意力的神经回路；从调节昼夜节律，到免疫系统激活时引起发热的神经细胞。

更复杂的行为：研究小鼠如何照顾幼崽时发现，行为的不同组成部分由不同回路控制，一个回路管着把幼崽聚拢到窝里，另一个回路管着给幼崽梳理毛发。

大脑之外：戴瑟罗特证明，心跳节律会影响情绪，若迫使心脏更用力地工作，会加重焦虑感；其他研究者还找到了肠道中的特定细胞，可以解释为什么有些人宁愿吃糖也不吃代糖。

07

—从实验室走向病床

光遗传学带来的知识，有望转化为新的医学治疗，这一希望已开始显现。它让人们对抑郁症、焦虑症、精神分裂症、阿尔茨海默病、帕金森病等精神和神经疾病的特征有了更深的理解。

研究者也迈出了把它用作治疗手段的第一步：在进行中的临床试验里，他们尝试让因视网膜色素变性（一种破坏视杆和视锥细胞的疾病）而失明的患者恢复视力。给一位盲人的视网膜植入类似通道视紫红质的蛋白后，患者恢复了部分视力，借助发光的特殊眼镜，能分辨并抓取桌上的物体。此外，也有人希望光遗传学能改进人工耳蜗：目前的植入体靠电刺激听神经，如果改用光遗传学，也许能更精确地激活听神经。

08

—三位得主，和一份更长的名单

卡尔·戴瑟罗特，1971年生，1998年获斯坦福大学博士学位，2000 年获医学博士学位，现为斯坦福大学生物工程与精神病学和行为科学教授，并任职于霍华德·休斯医学研究所（HHMI）。

彼得·赫格曼，1954年生，1984年在马克斯·普朗克生物化学研究所获博士学位，现为柏林洪堡大学神经科学教授。获奖的发现是在德国马丁斯里德的马克斯·普朗克生物化学研究所完成的。

格奥尔格·纳格尔，1953年生，1988 年在法兰克福大学获博士学位，现为维尔茨堡大学分子植物生理学教授。获奖的发现是在德国法兰克福的马克斯·普朗克生物物理研究所完成的。

值得一提的是，光遗传学并非只有这三个名字。此前，这个领域已多次获得奖项肯定：2012年的 Zülch 奖授予恩斯特·班贝格（Ernst Bamberg）、戴瑟罗特、赫格曼和纳格尔四人；丹麦的脑科学奖和美国文理科学院的拉姆福德奖，名单中还包括爱德华·博伊登（Edward Boyden）和杰罗·米森伯克（Gero Miesenböck）；2021年的拉斯克基础医学研究奖，则授予了赫格曼、戴瑟罗特和迪特·奥斯特黑尔特（Dieter Oesterhelt）。诺贝尔奖每个奖项至多授予三人，这让一些同样作出贡献的先驱未能同列，也是讨论这一奖项时常被提及的话题。

写在最后，一种单细胞藻类朝着光游动的本能，经过三十年的好奇心、一次次受挫和跨国合作，变成了科学家手里的“光开关”。诺奖委员会主席佩尔·斯文宁松（Per Svenningsson）说，光遗传学为绘制大脑图谱提供了“我们曾经只能梦想”的方式。每天都有新的发现，帮助人类解答最伟大的谜题之一：我们这颗不可思议的大脑，究竟是怎么工作的。

参考

https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2026/popular-information/