一束光点亮大脑 | 2026年诺贝尔生理学或医学奖揭晓

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2026年10月5日，新一届诺贝尔生理或医学奖揭晓，获奖者是三位在光控离子通道和光遗传学方面取得革命性发现的研究者：卡尔·戴塞洛斯（Karl Deisseroth）、彼得·黑格曼（Peter Hegemann）和格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel）。

黑格曼与纳格尔从一种单细胞藻类中发现了“通道视紫红质”，这是一种非同寻常的感光蛋白，能用光直接控制神经元活动。戴塞洛斯则将此蛋白质改造成神经细胞的光控离子开关，为大脑研究提供了的强大工具。

千百年来，人类始终渴望读懂大脑这团仅重1.3千克的器官：记忆如何刻印，情绪如何生发，行为如何被神经回路所操控。

20世纪，科学家已经能够定位大脑不同功能脑区，但传统电刺激、药理学手段太粗钝，只能观测神经元活动与行为的相关性，却很难证明二者之间的因果联系，留给我们一幅模糊的大脑快照。

用光线操控神经元，是弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在数十年前提出的大胆设想。DNA双螺旋的共同发现者克里克在晚年投身意识研究，他提出：神经信号转瞬即逝，如果可以改造神经元，让它们对光产生应答，就能精准开启、关闭特定神经细胞。在当时，这个想法近乎天方夜谭。

2026年诺贝尔生理学或医学奖授予美国霍华德·休斯医学研究所的卡尔·戴塞洛斯（Karl Deisseroth）、德国柏林洪堡大学彼得·黑格曼（Peter Hegemann）以及维尔茨堡大学的格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel），正是表彰他们发现光控离子通道，开创光遗传学，把这个遥不可及的科学梦想变为现实。

这项技术取材于不起眼的单细胞微生物，如今已经彻底改写神经科学，也为精神、神经类疾病的治疗打开全新窗口。

01

突破性工具的发现

光遗传学的故事，要从两类生活在 “奇异角落” 的单细胞生命讲起。

20世纪70年代，迪特尔·厄斯特黑尔特（Dieter Oesterhelt）与沃尔特·施托肯纽斯（Walter Stoeckenius）在盐沼盐杆菌（Halobacterium salinarum）中发现了细菌视紫红质。这种单细胞古菌栖息在粉红色咸水盐湖中，它的紫膜如同微型发电厂：细菌视紫红质作为光门控质子泵，接收光照后，直接把光能转化成跨膜质子梯度，用来合成生命必需的ATP。

将这个蛋白的基因在爪蟾卵母细胞中表达，就能产生光诱导的跨膜电流。这个开创性发现确立了一条核心原理：单个基因编码的单一蛋白，受光触发即可激活细胞膜电流，为整个领域铺下基石。后续研究又在一种极度嗜盐的法老盐碱单胞菌(Natronomonas pharaonis)中发现嗜盐菌视紫红质，一种受黄光调控的氯离子泵，可以抑制细胞活动。一大批古菌来源的视蛋白，构成了光遗传学最早的候选工具箱。

而真正带来突破性工具的，是一种随处可见的淡水绿藻——莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）。这种单细胞藻类长有两根鞭毛，依靠细胞表面小小的橙色眼点感知光线，向着光源游动，最大化光合作用效率。

彼时仍在马克斯·普朗克生物化学研究所的黑格曼被它惊人的感光速度吸引：人类眼睛接收光信号，需要经历一连串复杂生化反应，全过程至少10毫秒；但莱茵衣藻接收到光线，仅仅0.5毫秒就产生电信号，速度超过人眼20倍。

他猜想，衣藻体内存在一种“一身二任”的蛋白：同一个分子，既捕捉光线，又充当离子通道。

这个假说在当时饱受质疑——彼时已知的离子通道没有任何一种可以直接响应光照。因蛋白离体之后极易失活，多年实验屡屡碰壁。直到莱茵衣藻基因组测序完成，黑格曼团队从中筛选出两个与感光蛋白同源的候选基因。他把基因寄给马克斯·普朗克生物物理研究所的纳格尔，一场改变神经科学的合作就此开启。

纳格尔利用爪蟾卵母细胞系统表达这两个藻类基因，奇迹出现：表达蛋白的细胞膜，一经光照，离子通道直接打开，带电离子跨膜流动，产生电信号。这就是通道视紫红质 1（ChR1）与通道视紫红质 2（ChR2）。

ChR2表现尤为出众，蓝光照射下0.2毫秒通道即可开放，产生阳离子电流。实验证实，这套蛋白系统在人源、仓鼠肾脏细胞中同样生效，普通光照就能让原本不感光的细胞产生电冲动。

2003年，黑格曼与纳格尔发表成果，提出将ChR2作为用光操控细胞的分子工具。

02

把藻类蛋白改造成神经开关

当时还在斯坦福大学的戴塞洛斯，既是神经科学家，也是精神科临床医生。在精神科门诊，目睹抑郁症、精神分裂症患者承受的痛苦，现有药物疗效有限、副作用显著，促使他迫切想要理解活体大脑中神经元的实际运作逻辑。

当他读到通道视紫红质的研究，立刻向纳格尔索要ChR2的脱氧核糖核酸（DNA）。他把这个藻类基因导入培养皿的大鼠神经元，原本对光毫无反应的神经细胞，一经蓝光照射，立刻产生可以向下游传递的动作电位。

2005年，戴塞洛斯团队发表里程碑论文，证明ChR2可以毫秒精度触发神经元放电，并且不需要额外添加辅因子视黄醛，哺乳动物细胞内自带的物质就足以支撑蛋白工作，扫清了一大技术障碍。

这只是体外细胞的胜利，真正的挑战是在活体、自由活动的动物脑中操控神经。

戴塞洛斯团队与黑格曼、纳格展开深度合作。2006年，“光遗传学”（optogenetics）这一名词正式诞生。次年，研究人员将ChR2 基因靶向导入小鼠运动皮层特定神经元，通过颅骨小孔植入纤细光纤，光照开启，小鼠的胡须就会受控摆动；同样的手段激活负责觉醒的神经元，沉睡小鼠可以被人为唤醒。

光遗传学的魔力不止于 “打开” 神经元。科学家将古菌来源的嗜盐菌视紫红质引入神经元，黄光照射就能够“关闭”神经活动。通道视紫红质与嗜盐菌视紫红质共表达在同一个细胞，就实现双波长、双向控制：蓝光激活，黄光静默。“一边开启、一边关闭”，科学家得以开展功能获得、功能缺失对照实验，解析神经回路真实功能。

2012年，戴塞洛斯与诺贝尔奖得主利根川进（Susumu Tonegawa）合作完成经典记忆实验：先让小鼠经历恐惧，标记下编码恐惧记忆的神经元集群；之后，在没有任何危险的环境下，用光重新激活这一组神经元，小鼠立刻表现出恐惧反应。这项实验直接证实，特定神经元集群就是储存记忆的物质载体，第一次在活体中建立神经元、记忆、行为三者确凿的因果关系。

03

重塑神经科学

成年人脑拥有大约900亿个神经元，每个神经元和成千上万其他细胞建立连接，功能迥异的神经元经常高度混杂在一起，传统手段很难区分其中每一类细胞的作用。光遗传学彻底扭转了局面：依靠基因靶向，只让某一类神经元表达微生物视蛋白，光线照射时，只有目标细胞被激活或抑制，周围细胞不受干扰，达到毫秒级时间分辨率、细胞类型特异性的精准操控。

如今这套 “光遗传学工具箱” 持续拓展：科学家不断挖掘天然微生物视蛋白，同时利用定点突变改造蛋白，获得不同波长、不同动力学特性的工具蛋白。

全球成千上万实验室将光遗传学作为标准工具，大量过去无法回答的问题得到解答。依靠它，研究者定位介导痛觉、渴感、进食、奖赏、社交行为的神经环路；解析动物育幼行为中，不同环节分属独立神经通路；研究昼夜节律、免疫诱发发热背后的神经机制。当然也不局限于大脑研究，光遗传学揭示心跳加快会放大焦虑情绪，解析肠道细胞如何驱动糖偏好，把神经系统与心脏、肠道等外周器官的交互关系一层层揭开。

光遗传学最大的优势，是从 “观察相关性” 迈向 “证明因果”。过去，我们看到某个脑区在动物产生某一行为时活跃，只能猜测二者有关；光遗传学可以主动开启或者关闭一组神经元，观察行为是否随之出现或消失，直接回答 “这组神经元是不是这个行为的必要条件”。

04

走向临床

基础研究之外，光遗传学正在一步步走出实验室，迈向临床治疗。

最有希望落地的方向之一，是失明的修复。视网膜色素变性这类疾病，会摧毁视网膜负责感光的视杆、视锥细胞，但下游的视网膜神经节细胞依旧能发挥功能。科研人员利用腺相关病毒，把通道视紫红质基因递送到失明患者的视网膜神经节细胞，再佩戴特制光刺激眼镜，将外界画面转化为合适的光信号投射眼底。已有临床试验中，失明受试者借此重新分辨、抓取桌面上物体，实现部分视觉功能恢复，完成光遗传学疗法在人类身上的概念验证。

科学家也在探索对人工耳蜗的改良：传统人工耳蜗依靠电信号刺激听神经，电刺激会大范围扩散，信号分辨度有限；如果引入光遗传学，用光精准激活听觉神经元，有机会带来更高保真度的听觉重建。（详见：）

同时，光遗传学帮助我们拆解抑郁症、焦虑、精神分裂症、阿尔茨海默病、帕金森病的环路异常，寻找疾病背后关键神经通路，为新药、新型干预手段提供靶点。

05

“好奇心”于科学研究永不过时

回顾整个故事，这项重大突破并非来自对大脑本身的直接研究，而是始于科学家对 “藻类为什么会追着光游动”“盐湖古菌如何利用阳光生存” 这类看似冷僻的基础问题的好奇。没有人在一开始就预见到，那些生活在盐湖、池塘的微小生命，体内的蛋白，会成为解开人脑奥秘的钥匙。

而黑格曼、纳格尔在微生物中找到分子原件，戴塞洛斯把它改造为神经科学的强大武器。三位科学家（实际上是无数科学家）的探索接力或再次强调，基础研究的价值，往往就藏在那些看似无用的好奇心之中。

-本文整合诺贝尔生理学或医学奖官方科普资料、新闻报道及《新英格兰医学杂志》（NEJM）相关报道，由 AI 辅助整理成文-

参考资料：

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