汤波

责任编辑 | 王江涛

一个成年人的大脑约有900亿个神经细胞，而这些神经细胞又通过上万亿个突触相互连接，形成异常复杂的神经网络，让我们能够感知世界，体味悲欢，思考人生，创新未来。科学家们一直希望有一种简易而强大的工具，能够研究这些神经活动具体由哪些神经细胞参与，又是如何参与的，由此对这些神经活动进行深入研究，进而为治疗与神经系统相关的疾病找到良药良方。

2026年10月5日，瑞典卡罗林斯卡医学院诺贝尔奖评审委员会宣布，美国霍华德·休斯医学研究所和斯坦福大学的卡尔·戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）、德国柏林洪堡大学的彼得·赫格曼（Peter Hegemann）和德国维尔茨堡大学的格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel）共享2026年诺贝尔生理学或医学奖。这三位科学家开发了一种可利用光精准控制细胞行为的工具，引领了光遗传学技术的发展。光遗传学技术如今已在生命科学，特别是神经科学研究领域得到广泛应用，并在相关疾病治疗的临床试验中展现出巨大的潜力。

2026年诺贝尔生理学或医学奖获得者卡尔·戴瑟罗斯、彼得·赫格曼和格奥尔格·纳格尔。图片来源：诺贝尔奖官网

光遗传学的开创

简而言之，光遗传学技术是综合利用光学技术和基因工程技术，在活体动物的大脑神经细胞等靶细胞中重组表达光敏蛋白，再利用光学技术对这些转基因细胞进行刺激，精准开启或关闭细胞活动，细胞层面可精准到单个细胞区域甚至单个细胞，光控时间上则可精准到毫秒级别。

光遗传学是2006年才提出来的生物学概念，得益于戴瑟罗斯博士在2005年的开创性工作及后续一系列突破，这也是戴瑟罗斯在本年度诺贝尔生理学或医学奖的三位获奖科学家中排在首位的重要原因之一。不过，戴瑟罗斯的工作也离不开两位德国科学家彼得·赫格曼和格奥尔格·纳格尔的杰出前期工作积累。光遗传学技术的发展当然远远不止这三位科学家的贡献，不过他们的工作无疑是引领性和开创性的，而且三位科学家的工作是相互合作、相互成就，形成了一个相对完整的光遗传学创新链。

20世纪90年代初，在德国马克斯·普朗克生物化学研究所工作的赫格曼对一种因为趋光性而闻名的单细胞绿藻——衣藻感到好奇，为什么它们会具有如此强烈的趋光性？当研究人员将衣藻放在玻璃培养皿溶液中进行培养时，这些衣藻会聚集到有灯光的一侧，而当灯光移动到对面时，衣藻又会齐刷刷地游到另一侧。

随着研究的深入，赫格曼等人发现衣藻的细胞膜上存在一种所谓“眼点”的感光结构。这种眼点结构仅需要半毫秒就能对适度的光照做出反应，即发生电脉冲，后者由带电离子通过细胞膜上的离子通道形成电位差而产生。衣藻对光的反应速度为什么会比人眼对光的反应快约20倍呢？为了解答这个问题，赫格曼提出了一种假说，推测衣藻细胞膜上可能存在单一的感光蛋白，能同时兼具离子通道和感知光照的功能，这样才能在毫秒时间内感知光照并迅速做出反应。随后，赫格曼团队从衣藻的数千个基因中，找到了两个可能与编码感光蛋白相关的基因，但是这两种未知蛋白在体外极不稳定，经常降解得无影无踪。

于是，赫格曼求助于马克斯·普朗克生物物理学研究所的同事格奥尔格·纳格尔，后者擅长在动物细胞中表达重组蛋白，用以研究它们的功能。当纳格尔将这两个来自衣藻的未知基因注射到非洲爪蟾的卵细胞中后，发现它们会在非洲爪蟾卵细胞膜上稳定表达。这两种外来蛋白都与已知的离子通道功能类似，而且能在蓝光刺激下开启，允许带正电荷的离子进入细胞内，从而产生电脉冲信号。

这一发现证明赫格曼的假说是正确的。赫格曼和纳格尔将这两种感光蛋白命名为光敏通道蛋白-1与光敏通道蛋白-2。光敏通道蛋白-2尤为重要，对光照反应迅速，仅需要0.2毫秒就能感知光照并打开离子通道。此外，他们还在人类肾细胞和仓鼠肾细胞等其他细胞中进行了验证，光敏通道蛋白-2同样能敏锐地感知光照，打开离子通道，产生电信号。

2002年和2003年，纳格尔和赫格曼将这两个光敏蛋白的研究成果分别发表在《科学》和《美国科学院院刊》上。此时，来自这些单细胞藻类的光敏蛋白还只是众多新发现的蛋白之一，其重要作用并没有完全显现出来。不过，光敏蛋白似乎天然容易“发光”，很快就被人看见。2004年，纳格尔教授收到来自年轻的戴瑟罗斯博士的来信。后者刚刚独立开展研究不久，希望开发一些能刺激神经细胞产生电脉冲的工具，以研究神经细胞是如何在活动物体内工作的，之前已尝试了多种蛋白，结果并不理想，因此向纳格尔教授索要光敏通道蛋白-2的DNA样品，纳格尔教授爽快地寄送了DNA样品。

戴瑟罗斯博士和同事首先利用慢病毒载体，将光敏通道蛋白-2与黄绿荧光蛋白融合基因转入大鼠神经细胞，成功实现了光敏通道蛋白-2在大鼠神经细胞表面的稳定表达。这种转入衣藻光敏蛋白基因的大鼠神经细胞能对蓝光刺激迅速做出反应，通过调整光脉冲刺激，则可以实现对特定的神经细胞放电，并与附近的神经细胞发生突触连接，从而实现毫秒级的精准控制。这项研究成为光遗传学的奠基研究之一。

用于临床治疗的潜力

有意思的是，戴瑟罗斯团队还与其他团队合作，创制了一系列可利用光控制特定神经细胞活动的转基因小鼠模型，促进了光遗传学技术的发展。研究人员先将光敏通道蛋白-2基因转入转基因小鼠的特定神经细胞，然后将微小的光纤经颅骨小孔引入这些特定神经细胞进行光刺激，可精准控制小鼠的触须运动，唤醒正在睡觉的小鼠，让小鼠在没有危险的情况下恢复之前的恐惧记忆，等等。

随着光遗传学技术的日益成熟，世界各国的科学家不断加入光遗传学技术开发和研究队伍中，他们寻找新的光敏蛋白，优化基因表达和光控技术，拓展光遗传学应用范围，探索复杂神经网络中更多的未知奥秘，使光遗传学技术成为神经科学乃至生命科学研究领域的标准工具之一。2010年，光遗传学技术被国际著名学术期刊《自然方法》评选为“年度方法”，戴瑟罗斯受邀撰文介绍了该项创新技术。如今，光遗传学技术正在为精神分裂症、抑郁症和孤独症等神经系统疾病的机理研究和临床治疗带来巨大变革，全世界有1万篇以上的论文利用光遗传学技术做出了重要发现。

更令人期待的是，光遗传学技术已在相关疾病的临床治疗领域展现出潜力。2025年9月，《电子临床医学》杂志公布的一项开放式二期临床试验结果显示，多家研究机构已利用一种光遗传学疗法尝试治疗严重视力受损的视网膜变性患者，并使患者恢复了部分视力，为后续利用光遗传学技术开展临床治疗探索提供了支持。

在获得诺贝尔奖之前，光遗传学因先后获得2016年生命科学突破奖和2021年拉斯克基础医学研究奖等诺奖前哨奖项的关注，近十年来获诺贝尔生理学或医学奖的呼声经久不息，今年最终获奖可谓实至名归。三位科学家将平分奖金1200万瑞典克朗，约合人民币800万元。