2026年诺贝尔奖为何授予光遗传学方向？|墨子沙龙专访中国科大学副教授李旭

2026年诺贝尔生理学或医学奖揭晓。Karl Deisseroth、Peter Hegemann、Georg Nagel因其在光控离子通道和光遗传学方面的杰出贡献，被授予2026年诺贝尔生理学或医学奖。

光遗传学为何能够获得诺贝尔奖？这项技术究竟改变了什么，又距离真正应用于人体还有多远？它与电生理等传统研究手段有何区别？围绕这些问题，墨子沙龙采访了中国科学技术大学生命科学学院副教授、中国科协科普专业研究员李旭，请他梳理光遗传学的发展历程，解读其科学价值与应用前景。

以下内容根据采访整理而成。

墨子沙龙：您认为，光遗传学为何能够获得今年的诺贝尔生理学或医学奖？这项研究的获奖有哪些值得关注的原因？

李旭：说实话，光遗传学是我此前比较看好的诺贝尔奖候选方向之一。我去年就预测过它可能获奖，今年也一直在关注。不过，我今年原本还看好其他一些研究方向，比如与减肥相关的GLP-1研究、与睡眠和觉醒调控有关的食欲素研究，以及香港中文大学卢煜明教授在无创产前检测领域的工作。

我尤其期待卢煜明教授能够获得诺贝尔奖。他的重要贡献之一，是推动了基于孕妇外周血中胎儿游离DNA的无创产前检测技术发展。过去，要了解胎儿的染色体等遗传信息，往往需要通过羊水穿刺等侵入性方式获取样本，这些操作虽然能够提供重要信息，但也存在一定风险。

卢煜明教授的研究为我们提供了另一种思路：孕妇外周血中存在来自胎盘的胎儿游离DNA，通过检测这些遗传信息，就有可能了解胎儿的部分健康状况，而不必直接侵入子宫获取样本。这项技术改变了产前检测的方式，也让许多家庭受益。我认为，这类能够将基础发现转化为临床应用、切实改善人们生活的工作，非常值得期待。

回到光遗传学，我认为它获奖的重要原因，在于这是一项经过长期积累、最终改变了研究范式的技术。它并不是某一天突然出现的灵光一现，而是建立在多代科学家的研究成果之上。这个故事最早可以追溯到20世纪70年代。1971年前后，德国科学家迪特·奥斯特黑尔特（Dieter Oesterhelt）与沃尔特·施托克纽斯（Walther Stoeckenius）等人在嗜盐微生物中研究了一种能够感知光线、并影响细胞膜电位的蛋白质——细菌视紫红质。

为什么这个发现重要？因为细胞膜两侧的电位变化，也是神经元传递信息的重要基础。科学家由此开始思考：能不能借助光敏蛋白，把光信号转化为电信号，进而调控神经元的活动？不过，最初发现的细菌视紫红质并不能直接、独立地完成后来光遗传学所需要的全部功能。真正的突破，还需要等待另一类光敏蛋白的发现。

后来，研究人员在莱茵衣藻等绿藻中发现了通道视紫红质。绿藻需要感知光线，寻找适宜的光照环境，既要获得足够的光能，也要避免过强的光照造成损伤。通道视紫红质能够感知光，并通过调节离子跨膜流动影响细胞膜电位。

这类蛋白质的关键优势在于，它能够将光刺激与细胞电活动直接联系起来。对于神经科学家而言，这意味着我们有可能通过光，直接控制神经元的兴奋或抑制。

2002年和2003年前后，格奥尔格·内格尔（Georg Nagel）等研究人员相继发表了有关通道视紫红质的重要研究，为利用光调控细胞活动提供了关键工具。

与此同时，另一条研究路线也取得了进展。2002年，格尔德·米森伯克（Gero Miesenböck）团队通过基因工程和光敏化学系统，实现了对神经元活动的光控。这项工作证明，光可以被用来驱动神经活动，并进一步引发动物行为。不过，这套系统需要多个组成部分协同工作，操作相对复杂，推广起来存在一定困难。通道视紫红质的发现则提供了更直接的解决方案：研究人员可以将相应的基因导入神经元，使细胞表达光敏蛋白，再通过特定波长的光改变神经元的膜电位。

2005年，爱德华·博伊登（Edward Boyden）、卡尔·戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）等研究人员开展的工作，进一步展示了利用光在毫秒尺度上控制特定神经元活动的能力。研究人员能够将光敏蛋白导入哺乳动物神经元，再用蓝光刺激，并通过电生理等手段记录神经元的响应。这使得利用光精准调控神经活动成为一种真正可行的研究方法。

在这个过程中，还有许多科学家作出了重要贡献。例如，张锋等研究人员在基因递送等相关技术方面的工作，也推动了光遗传学工具的发展与应用。

所以，光遗传学的形成并不是某一位科学家独立完成的。它涉及光敏蛋白的发现、基因工程工具的开发、神经元调控方法的建立，以及实验系统的整合。许多研究者都在其中发挥了重要作用。诺贝尔奖最终选择其中几位科学家，并不意味着其他人的贡献不重要。科学发现往往是一个漫长的过程，而奖项只能以有限的名额呈现其中一部分关键贡献。

墨子沙龙：光遗传学已经能够精准调控神经元活动，外界可能会认为，我们未来也可以直接用它控制人的情绪、食欲甚至行为。您认为这种理解是否存在误区？

李旭：这是一个非常值得澄清的问题。

光遗传学现在不仅可以激活神经元，也可以在一定条件下抑制神经元活动。随着工具不断发展，科学家能够对特定细胞类型、特定脑区的活动进行更加精细的干预。因此，公众很容易产生一种想象：如果我不开心，是不是可以用光刺激大脑的某个区域，让自己立刻开心起来？如果我管不住嘴，是不是可以抑制某些神经元，从此不再嘴馋？

但目前，我们还远远没有达到这种程度。

现阶段，光遗传学主要用于动物实验和基础研究。研究人员可以在小鼠、果蝇等动物中，借助光敏蛋白调控特定神经元，从而研究这些神经元与某种行为或生理功能之间的关系。这项技术已经帮助我们识别和研究了许多与疼痛、社交、口渴、进食、奖赏、注意力、昼夜节律以及体温调节等有关的神经环路。但找到参与某项功能的神经环路，并不意味着我们已经完全理解了它，更不意味着可以直接对人体进行安全、精准的控制。

大脑是一个极其复杂的系统。某种行为或情绪往往不是由单个神经元或单一脑区决定的，而是涉及多个脑区、不同细胞类型以及复杂的神经网络活动。我们目前对这些机制的认识还不够全面，不能把动物实验中的结果简单地套用到人身上。

在人体应用方面，一个值得关注的探索方向是视网膜疾病。一些研究尝试将光敏蛋白导入视网膜中特定的细胞，并结合特殊眼镜等光学设备，让部分视力严重受损的患者重新获得一定的光感或形状辨识能力。这类研究为视力恢复提供了新的可能，但具体效果取决于疾病类型、治疗方案等因素，目前仍不能理解为能够让失明者普遍恢复正常视力。

我个人特别期待光遗传学能够帮助那些失去某些功能、或者存在生理障碍的人，让他们获得更好的生活质量。相比于想象如何操控一个人的喜怒哀乐，我更关心的是，这项技术能否帮助患者恢复功能，减轻疾病带来的痛苦。当然，随着技术发展，我们也需要认真考虑安全性、伦理和个人自主权等问题。科学技术的进步，不应该只意味着我们能做更多事情，也应该意味着我们能够更负责任地使用这些能力。

墨子沙龙：在神经科学研究中，电生理、钙成像等方法仍然被广泛使用。光遗传学与这些传统手段有什么区别？研究人员应该如何选择？

李旭：首先要明确一点：这些方法并不是相互替代的关系，而是各有优势，可以相互补充。以电生理为例，它能够直接记录神经元的电活动，也可以通过电刺激干预神经活动。但电刺激可能同时影响电极附近的多个细胞，研究人员有时很难判断，观察到的行为变化究竟是由哪一类神经元引起的。

光遗传学的一项重要优势，是可以通过基因工程，让特定细胞表达光敏蛋白。这样，研究人员就能在一定程度上选择性地激活或抑制目标细胞，从而更有针对性地研究神经环路的功能。

这里涉及科学研究中一个非常重要的概念：相关性与因果性。例如，我们发现某个脑区在动物执行某种行为时非常活跃，这说明它可能与该行为有关，但还不能直接证明它是引起该行为的原因。

如果我们进一步选择性地激活这个脑区中的某类神经元，观察到相应行为随之出现；再抑制这些神经元，发现该行为受到影响，那么我们就能够获得更有力的因果证据。当然，具体结论仍然取决于实验设计、对照设置以及是否存在其他混杂因素。

光遗传学的价值，就在于为这类因果检验提供了重要工具。不过，它也有自己的适用条件。研究人员需要将光敏蛋白导入目标细胞，还要考虑光照能否到达相应位置、细胞是否表达了足够的蛋白，以及光刺激是否会产生非预期效应。因此，它并不是任何实验都能直接使用的方法。

其他技术也各有优势。例如，钙成像可以帮助研究人员观察大量神经元的活动变化，了解神经网络在不同状态下如何响应；电生理能够提供高时间分辨率的电活动信息；药理学干预则可以通过药物影响特定受体或分子通路，但药物起效和消退的时间尺度可能与快速的神经活动不一致。

因此，具体选择哪种方法，需要看研究问题是什么。

如果研究人员希望观察神经元活动与行为之间的关系，可以根据需求采用电生理、钙成像等手段。如果希望更加直接地检验某类神经元是否参与某种行为，那么光遗传学可能很有帮助。在条件允许时，将不同方法结合起来，往往能够得到更加完整的证据。

墨子沙龙：从您的角度看，光遗传学未来还可能在哪些方面取得突破？

李旭：我认为，至少有几个值得持续关注的方向。

第一，是让调控更加精准。研究人员希望能够更加有选择性地控制特定细胞类型、神经环路或细胞活动状态，同时尽可能减少对周围组织和其他神经活动的影响。

第二，是提高技术的适用性。如何让光敏蛋白更好地表达，如何优化光照条件，如何将光送到目标组织，以及如何降低长期使用可能带来的风险，都是需要继续解决的问题。

第三，是推动基础研究与临床需求之间的衔接。光遗传学已经帮助我们理解许多神经环路的工作方式，但从发现机制到开发治疗手段，中间还有很长的路要走。我们需要进一步理解疾病机制、评估治疗效果，并充分考虑安全性。

不过，我想强调的是，光遗传学的意义并不只体现在未来能否发展出某种治疗方法上。它已经改变了科学家研究大脑的方式。过去，我们可能只能观察某个脑区在行为发生时是否活跃；现在，我们有机会通过更加精细的干预，检验特定神经元在行为形成过程中究竟发挥了什么作用。这种从观察走向干预、从相关走向因果的能力，本身就是非常重要的科学进步。

墨子沙龙：您自己的研究团队是否使用过光遗传学？您如何看待这项技术在不同研究方向中的应用？

李旭：我自己的研究方向主要是生物化学，并没有直接开展光遗传学相关实验，对神经生物学也不是特别熟悉。如果不是这些年一直参与科普工作，我可能也不会对光遗传学的发展历程有这么多了解。

不过，在中国科学技术大学生命科学学院，有不少老师在神经科学及相关研究领域开展了非常出色的工作，也使用了光遗传学等技术。学校在脑科学、单分子研究等方向也有很好的研究基础。

我一直觉得，科学研究中一个很有意思的地方，就是不同领域的人可以因为共同的好奇心而交流。一个人不一定要亲自使用某项技术，才能理解它的价值；而不同研究方向之间的交流，也可能带来新的问题和思路。

非常欢迎大家继续保持好奇，多去了解自己原本不熟悉的领域。