光遗传学终获奖！2026年诺贝尔生理学或医学奖授予神经科学家

2026年诺贝尔生理学或医学奖授予了光遗传学领域的开创性工作。这种方法使研究人员能够揭示，活体大脑中的神经细胞如何塑造记忆、情感和行为。

彼得·黑格曼（Peter Hegemann）和格奥尔格·内格尔（Georg Nagel）在一种单细胞藻类中发现了一种非凡的蛋白质——通道视紫红质（channelrhodopsin）。

卡尔·戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）则将这种蛋白质转化为神经细胞的光控开关。三位获奖者为神经科学的新时代奠定了基础。

2026年诺贝尔生理学或医学奖授予了光遗传学领域的开创性工作。这种方法使研究人员能够揭示，活体大脑中的神经细胞如何塑造记忆、情感和行为。彼得·黑格曼和格奥尔格·内格尔在一种单细胞藻类中发现了一种非凡的蛋白质——通道视紫红质。卡尔·戴瑟罗斯则将这种蛋白质转化为神经细胞的光控开关。三位获奖者为神经科学的新时代奠定了基础。

大脑如何支配情感、行为和身体功能，长期以来都是一个谜。20世纪，研究人员开始探索不同脑区分别影响哪些功能，但受限于当时使用的方法，他们无法证明其中的因果关系。他们由此描绘的大脑图景，犹如一张粗略的地图，充满问号与未知。如今，这一切正在改变。

诺贝尔生理学或医学奖委员会主席佩尔·斯文宁松（Per Svenningsson）说：“光遗传学让我们有机会以过去只能梦想的方式绘制大脑图谱。”

这一切始于彼得·黑格曼的好奇心。他想知道，单细胞藻类衣藻（Chlamydomonas）为什么能够朝着光源游动。21世纪初，他与格奥尔格·内格尔发现了通道视紫红质，这种位于藻类细胞表面的蛋白质具有独特的性质：受到蓝光照射时，贯穿蛋白质的通道便会打开，带电离子随之流入细胞，产生电脉冲。他们发现，无论将这种蛋白质导入哪种细胞，这些细胞都会变得对光敏感。

卡尔·戴瑟罗斯将编码通道视紫红质的基因导入大鼠的神经细胞，通过蓝光照射，成功触发了神经信号。他于2005年发表了这一突破性成果。两年后，他又让这种神经细胞的光控开关在活体小鼠的大脑中发挥了作用。

这种用光控制神经信号的方法，如今被称为光遗传学（optogenetics），并迅速在全球产生了影响。借助光遗传学，研究人员得以揭示支配特定记忆、情感和行为的神经回路，而这些记忆、情感和行为与神经系统疾病及精神疾病密切相关。在临床医学中，研究人员正尝试利用这种方法帮助视力受损者恢复视觉。

光遗传学从根本上改变了我们对大脑的认识。每天都有新的发现，帮助我们解开人类面临的一大谜团：我们不可思议的大脑，究竟如何运作。

2026年诺贝尔生理学或医学奖

卡尔·戴瑟罗斯

Karl Deisseroth

美国神经科学家、精神科医生，斯坦福大学生物工程、精神病学与行为科学教授，同时为霍华德·休斯医学研究所研究员，是光遗传学和现代神经回路研究的重要奠基者之一。他拥有斯坦福大学神经科学MD-PhD学位，并长期将基础神经科学研究与精神疾病临床问题相结合。2005年，Deisseroth团队率先发表利用通道视紫红质（ChR2）以光激活哺乳动物神经元的研究，实现了毫秒级精度的神经元活动控制；2006年，他将这一新兴研究领域命名为“光遗传学（optogenetics）”，此后持续开发将光敏蛋白靶向特定细胞、利用不同波长和离子选择性控制神经活动的技术体系，使研究人员能够在活体动物中直接检验特定神经回路与行为之间的因果关系。光遗传学随后成为系统神经科学的重要技术，并于2010年被《Nature Methods》评为“年度方法”。 除光遗传学外，Deisseroth还开创了水凝胶-组织化学技术，2013年领导开发CLARITY，使完整脑组织变得透明，同时保留其分子和结构信息，之后又发展出STARmap等技术，实现完整组织中的三维细胞分辨率转录组分析。这些方法与光遗传学共同构成了其研究神经回路结构、功能以及精神和神经疾病机制的重要技术体系。他曾获生命科学突破奖、京都奖、盖尔德纳国际奖、海尼根医学奖等重要奖项，并当选美国国家科学院、国家工程院和国家医学院院士。2026年，他与Georg Nagel、Peter Hegemann共同获得诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他们在光门控离子通道和光遗传学领域的开创性发现。

2026年诺贝尔生理学或医学奖

彼得·黑格曼

Peter Hegemann

德国生物物理学家、柏林洪堡大学实验生物物理学教授、赫尔蒂神经科学高级研究讲席教授，是光遗传学领域的主要奠基者之一。他长期研究微生物视紫红质及光门控离子转运机制，早期即对可通过光调控神经元抑制的卤视紫红质（Halorhodopsin）开展研究。2002年至2003年，他与Georg Nagel、Ernst Bamberg等先后鉴定并表征通道视紫红质-1（ChR1）和通道视紫红质-2（ChR2），证明这些蛋白能够在蓝光照射下开启离子通道，为利用光精确控制神经元活动提供了关键分子工具，并由此推动光遗传学的诞生。此后，他与Karl Deisseroth等合作开发反应速度更快、光谱范围更广、离子选择性不同的视紫红质工具，不断拓展光遗传学在神经回路和脑疾病研究中的应用。他曾获拉姆福德奖、邵逸夫生命科学与医学奖及拉斯克基础医学研究奖，并于2026年与Karl Deisseroth、Georg Nagel共同获得诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他们在光门控离子通道和光遗传学领域的开创性发现。

2026年诺贝尔生理学或医学奖

格奥尔格·内格尔

Georg Nagel

德国生物物理学家、维尔茨堡大学神经生理学教授，长期研究微生物光感受器及光遗传学工具开发。他与Peter Hegemann共同发现并表征了通道视紫红质（Channelrhodopsin），并于2003年证明通道视紫红质-2（ChR2）能够在哺乳动物细胞中通过蓝光诱导强烈的膜去极化，为随后利用光精确控制神经元活动奠定了关键基础。此后，他与Karl Deisseroth等合作，将ChR2应用于海马神经元，实现毫秒级精度的光诱导动作电位；他开发的ChR2突变体H134R还被用于早期完整动物的光遗传学实验。Nagel的研究进一步推动光遗传学从神经元兴奋拓展至神经抑制以及cAMP、cGMP等第二信使系统的光学调控，使其成为研究神经回路和细胞信号的重要工具。2026年，他与Karl Deisseroth、Peter Hegemann共同获得诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他们在光门控离子通道和光遗传学领域的开创性发现。

光遗传学：神经元开关的发现

几个世纪以来，大脑的奥秘一直吸引着人类。这个器官由种类繁多、令人惊叹的神经元组成，它们相互连接，形成庞大的环路，究竟如何协调从转瞬即逝的记忆到有意识迈出的一步等种种活动？如何将这些复杂环路与行为的因果控制联系起来，是一个延续了百年的难题。今年的诺贝尔生理学或医学奖得主卡尔·戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）、彼得·黑格曼（Peter Hegemann）和格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel），凭借技术和概念上的卓越突破，改变了神经科学领域。最初对藻类趋光行为的基础性好奇，最终促成了光遗传学（optogenetics）的诞生。发现通道视紫红质（channelrhodopsins）是一类光门控离子通道，是其中的关键转折：它终于提供了科学家长期寻求的、具有毫秒级精度的神经元活动开关。这一突破赋予神经科学前所未有的能力，使研究者从被动记录脑活动转向主动控制脑活动，并由此揭示大脑编码认知、情绪和行为所依赖的精确因果关系。

大脑是生物界最复杂的器官，其细胞和环路具有精密的组织结构。在整个动物界，行为、情绪和认知功能都源于神经环路的活动。这些环路由混杂分布的兴奋性、抑制性和调节性细胞组成，通过彼此交织的轴突和树突相互连接。不同细胞类型的作用取决于其分子身份、连接方式、投射靶点，以及时时变化的活动动态。神经活动以毫秒为尺度在环路中展开，而相邻神经元往往驱动相反的功能，或参与不同的行为。这些特点使得通过实验解析神经环路极为困难。

长期以来，我们解读神经环路如何产生行为的能力，一直受到现有技术的限制。在现代神经科学发展的很长一段时期，核心挑战并非观察大脑，而是以足够的精度干预大脑，从而确立因果关系。电生理学、损毁实验、药理学和成像等传统方法，可以有力地揭示神经活动与知觉、运动、情绪及认知之间的相关性。然而，这些方法缺乏足够的精度，无法在与神经计算相关的毫秒时间尺度上，操控完整环路中的特定细胞类型。要让系统神经科学从观察性学科转变为以因果干预为基础的学科，就需要能够同时实现空间靶向、遗传选择性，并在时间上匹配神经元自然放电的活动控制方法。

弗朗西斯·克里克在早期论述中已明确预见了这一需求（Crick，1979；Crick，1999）。他将大脑视为生物学尚未解决的核心问题之一，认为要解读脑功能，就必须能够以很高的时空精度扰动特定神经元群体。克里克提出，一种具有变革意义的方法，应当能够使“仅某一种类型的所有神经元被激活或失活，而其他神经元基本保持不变”。他推测，要“在清醒动物中迅速开启或关闭一种或多种神经元的放电……理想的信号应当是光”，但他也承认，这个想法在当时“相当不切实际”。这一愿景实际上勾勒出了光遗传学的核心构想：利用具有遗传靶向性的光学手段控制神经元活动，以研究神经计算与行为（Crick，1999）。

光学控制的开端：早期工程策略

光遗传学最终实现了这一愿景，使研究者能够用光以毫秒级精度控制遗传上界定的神经元。然而，它的出现依赖于数十年的概念和技术积累。早期让神经元对光敏感的一系列尝试，逐渐明确了实用光控执行器必须满足的严格设计要求：可由基因编码、结构紧凑、能够在细胞膜上稳定充分表达、动力学快速、作用可逆，并能直接利用光子产生膜电流。

在微生物通道视紫红质被发现并用于哺乳动物神经元之前，神经科学家就已开始设计系统，以实现对特定细胞类型神经活动的远程控制。早在1971年，理查德·福克（Richard Fork）就利用海兔（Aplysia）神经元微弱的内源性光敏感性，以激光进行刺激（Fork，1971）。1983年，艾拉·法伯（Ira Farber）和阿米拉姆·格林瓦尔德（Amiram Grinvald）进一步尝试，用荧光染料对水蛭神经元的细胞膜染色（Farber and Grinvald，1983）。激光激发这种染料后，会产生可逆的去极化，成功诱发神经元的动作电位。然而，由于强激光和外源染料会对细胞造成光毒性损伤，这些早期方法最终被放弃。

数十年后，两种主要的工程策略为这一挑战提供了解决思路。第一种依赖于引入异源受体：或者重建后生动物天然的光信号转导级联，或者将离子通道与能够通过光照解笼释放的配体配对；第二种则把合成的光敏化学光开关连接到经过工程改造的通道上。这些方法证明了光学控制的可行性，同时也揭示了为什么一种更简单、更快速的单组分执行器会带来变革。

2002年，格罗·米森伯克（Gero Miesenböck）及其同事首次通过遗传手段，使原本不具备感光功能的神经元对光敏感（Zemelman et al.，2002）。他们的chARGe系统采用多基因策略，共表达果蝇视觉信号转导级联中的三种不同蛋白质：抑制蛋白2、视紫红质和G蛋白的Gαq亚基。将chARGe引入培养的哺乳动物神经元后，光照可借助细胞原有的G蛋白偶联受体信号级联，打开内源性离子通道，诱发持续的动作电位放电。在随后的一项研究中（Lima and Miesenböck，2005），米森伯克实验室进一步拓展了这种多组分策略，在果蝇的指令神经元中表达离子型嘌呤能受体P2X2，并结合可光激活的“笼锁”ATP，通过光刺激触发逃避反应，还通过激活多巴胺神经元来调节行走运动。虽然chARGe和P2X2系统都是重要的概念验证，但两者都无法完全由基因编码，还依赖共同注入的辅助物质，即视黄醛或可光激活的ATP。此外，这些方法的速度过慢。信号需要经过多个中间环节，或依赖配体扩散，削弱了刺激与反应之间的紧密耦合，使动作电位的发生时间变得不可靠（综述见Miesenböck，2004）。最终，这些方法无法解析神经编码的毫秒级动态。

另一种并行发展的方法，将遗传靶向与合成化学相结合，绕过了扩散和中间信号传递造成的延迟。埃胡德·伊萨科夫（Ehud Isacoff）、理查德·克雷默（Richard Kramer）、迪尔克·特劳纳（Dirk Trauner）及其同事开发的这一策略，利用连接在通道上的可光切换配体，构建受光调控的离子通道。他们对Shaker钾离子通道等内源性离子通道进行遗传改造，以构建赋予通道光敏感性的化学门控装置（Banghart et al.，2004）。这一装置包括可与通道选择性偶联的官能团、通道孔阻断基团，以及能够发生光异构化的偶氮苯。随后从外部施加合成的化学光开关，使其与改造后的通道形成共价连接。特定波长的光照会使开关中的偶氮苯核心在顺式和反式构象之间可逆转换，从而改变配体的空间位置，调节通道活动。这种由合成的可光异构化偶氮苯调控的钾离子通道，实现了对神经元放电快速、精确且可逆的控制（Banghart et al.，2004）。后来的可光切换受体策略，如光激活谷氨酸受体，进一步拓展了这一原理（Volgraf et al.，2006）。这一方法的不同变体，包括光激活钾离子通道及相关的可光切换通道系统，也成功控制了培养细胞和活体模式生物的细胞兴奋性（Szobota et al.，2007）。

这两类方法都遇到了限制其广泛应用的瓶颈。异源受体系统需要同时递送化学物质，往往还需要协调多个大型基因的表达，使其在完整大脑中的递送更为复杂。同样，化学光开关需要将合成化合物从外部递送到活体组织中，带来空间递送梯度、标记效率不一致和代谢降解风险等问题。理想工具需要绕过这些多组分障碍：仅凭一种蛋白质完成任务，既能通过遗传方式递送，又能以毫秒级动力学将光子吸收直接转化为离子电流。

微生物视紫红质

微生物视紫红质（microbial rhodopsins）广泛存在于古菌、真细菌和真核微藻中，利用光来支持细胞生物能量过程和感觉行为。它们能够直接将光子能量转化为跨膜离子流（综述见Govorunova et al.，2017）。这一领域的历史基础，始于迪特尔·厄斯特黑尔特（Dieter Oesterhelt）和瓦尔特·施特克尼乌斯（Walther Stoeckenius）在嗜盐古菌Halobacterium halobium中发现细菌视紫红质（bacteriorhodopsin）（Oesterhelt et al.，1971）。后续研究表明，这种蛋白质是一种光驱动质子泵（Oesterhelt and Stoeckenius，1973）。

进一步研究很快发现，微生物生态系统能够利用太阳能，将多种离子跨膜转运。1977年，松野·矢木明美（Akemi Matsuno-Yagi）和向畑恭男（Yasuo Mukohata）在缺乏细菌视紫红质的突变菌株中观察到光诱导的超极化（Matsuno-Yagi and Mukohata，1977），继而促成了盐视紫红质（halorhodopsin）的分离（Mukohata and Kaji，1981）。后来，研究者确定，来自嗜盐嗜碱古菌Natronomonas pharaonis的一种重要盐视紫红质变体，是光驱动的氯离子泵（Bivin and Stoeckenius，1986；Lanyi et al.，1990；Lanyi，1995）。这些古菌离子泵的发现证明，仅通过一种蛋白质，光就能驱动特定离子穿过生物膜。

在研究古菌离子泵的同时，科学家也在研究能够运动的真核微藻。大多数具鞭毛的绿藻都有视觉系统，使其能够根据光源的位置动态调整方向并游动，这种行为称为趋光性（phototaxis）（Foster and Smyth，1980）。对双鞭毛模式生物莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的早期研究证实，这种由光引导的定向运动，依赖于一种类似视紫红质的发色团，以产生快速的跨膜光感受器电流（Foster et al.，1984；Uhl and Hegemann，1990）。

通道视紫红质的发现

彼得·黑格曼刚在迪特尔·厄斯特黑尔特指导下完成博士学位，随后加入肯尼思·福斯特（Kenneth Foster）的实验室，探索趋光行为分子机制的研究由此迎来了关键转折。他希望理解衣藻中这些快速光感受器电流的生物物理学基础。这项工作最终促成了通道视紫红质的发现：藻类生理学、分子遗传学和电生理学的交汇，推动这一突破逐步展开。

早期功能证据来自彼得·黑格曼及其同事的吸引电极记录。这项技术此前由费利克斯·利特文（Felix Litvin）、奥列格·西涅谢科夫（Oleg Sineshchekov）及其同事在雨生红球藻（Haematococcus pluvialis）中开发（Litvin et al.，1978；Sineshchekov et al.，1990）。黑格曼团队研究了绿藻衣藻中这些由光激活的电流，发现驱动趋光行为的光敏电流极其迅速：闪光刺激后，潜伏期仅为微秒级（图1；Harz and Hegemann，1991）。这种动力学特征难以用经典的植物或动物光信号转导级联来解释，因为这些级联必然涉及可扩散的第二信使和多个下游生化步骤。因此，黑格曼团队提出，视紫红质光感受器与离子通道必定紧密相连，甚至可能作为同一个蛋白质复合体存在（Harz et al.，1992；Holland et al.，1996）。这一推断在概念上十分重要，因为它将研究方向从信号通路转向了分子身份。

要确切证明藻类视紫红质直接发挥离子通道功能，就必须找到相应的基因。衣藻表达序列标签数据库的建立，加速了这一突破（Asamizu et al.，2000）。21世纪初，彼得·黑格曼、约翰·斯普迪奇（John Spudich）和高桥俊夫（Toshio Takahashi）领导的三个研究团队，分别独立鉴定出编码与古菌细菌视紫红质同源蛋白的cDNA序列。

黑格曼实验室根据这些序列与已知视蛋白的视黄醛结合位点和质子传导通路之间的同源性，鉴定出其中的第一条序列。他们将该蛋白命名为通道视蛋白1（channelopsin-1，Chop1；GenBank登录号AF385748），并推测它可能发挥光驱动离子通道的作用（综述见Hegemann et al.，2001）。随后，黑格曼及其同事又鉴定出第二条同源序列，将其命名为通道视蛋白2（channelopsin-2，Chop2；GenBank登录号AF461397）。

图1｜莱茵衣藻眼点的光敏感性与快速电反应。（A）衣藻光诱导迁移，即趋光行为的示意图。（B）使用吸引微管技术，记录缺失细胞壁的衣藻突变体中的光电流（Harz and Hegemann，1991）。Ey表示眼点，Fl表示鞭毛。（C）衣藻中的快速光电流（Holland et al.，1996）。

与此同时，在约翰·斯普迪奇的实验室，郑光焕（Kwang-Hwan Jung）与奥列格·西涅谢科夫利用RNA干扰沉默这些基因的表达，并分析所得转化株中的光感受器电流和趋光反应。他们证明，这些基因编码的蛋白质负责产生光感受器电流，并将其命名为衣藻感觉视紫红质A和B（Chlamydomonas sensory rhodopsins A and B，CSRA和CSRB）（Sineshchekov et al.，2002）。他们指出，CSRB产生的电流动力学及其在低光强下即达到饱和的特征，提示存在包含扩散性生化步骤的信号转导链（Sineshchekov et al.，2002）；而CSRA介导的电流具有快速动力学特征，因此斯普迪奇及其同事提出，CSRA本身可能构成离子通道，或与离子通道紧密耦合，呼应了黑格曼此前的假说（Harz et al.，1992；Holland et al.，1996）。同期，高桥哲郎（Tetsuo Takahashi）领导的团队也鉴定出了相同的序列。他们通过免疫荧光显示，这些蛋白质精确定位于藻类的眼点，从解剖学角度验证了光电流的来源（Suzuki et al.，2003；Mittelmeier et al.，2013）。

决定性的功能突破，始于彼得·黑格曼联系格奥尔格·纳格尔。纳格尔在异源表达系统中研究离子通道和离子泵，拥有扎实的电生理学专长，恰好符合项目所需。这次成功合作建立在两人长期联系的基础上。纳格尔在法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所师从恩斯特·班贝格（Ernst Bamberg）取得博士学位，并在那里首次结识黑格曼。在耶鲁大学和洛克菲勒大学完成博士后训练后，他返回法兰克福，成为独立研究者。纳格尔曾利用非洲爪蟾（Xenopus laevis）卵母细胞作为异源实验系统，研究细菌视紫红质的光驱动质子泵功能（Nagel et al.，1995）。黑格曼提供克隆的Chop1和Chop2 cDNA序列，纳格尔与他及恩斯特·班贝格合作，利用这一系统表达这些基因并研究其功能（Nagel et al.，2002；Nagel et al.，2003；综述见Hegemann and Nagel，2013）。2002年，纳格尔表达了编码Chop1的mRNA，通过加入全反式视黄醛并进行双电极电压钳记录，证明绿光照射会诱发主要由质子承载的内向光电流（Nagel et al.，2002）。仅编码核心七次跨膜结构域的截短变体，仍然保留了这种光依赖性电导，表明该蛋白质本身就足以发挥通道功能。这一生物物理学特征提供了光门控离子通道的首个直接证据，促使其被正式命名为通道视紫红质1（channelrhodopsin-1，ChR1）。

图2｜通道视紫红质2在非洲爪蟾卵母细胞中的异源表达。（A）实验系统示意图。（B）在存在全反式视黄醛的条件下，记录卵母细胞膜片中由光脉冲诱发的光电流；灰色横条表示光脉冲（Nagel et al.，2003）。

第二项突破发生在次年，其影响或许更为深远。格奥尔格·纳格尔领导的同一合作团队，在非洲爪蟾卵母细胞和哺乳动物人胚肾细胞中表达了Chop2（Nagel et al.，2003）。他们证明，这种被命名为通道视紫红质2（channelrhodopsin-2，ChR2）的蛋白质，其功能不同于ChR1。ChR2的激活光谱向蓝光方向偏移，是一种可通透多种阳离子的非选择性通道（图2）。仅包含前315个氨基酸的截短片段，就足以保留光门控电导。ChR2光电流具有独特的生物物理性质：初始阶段出现明显的瞬时峰值电流，在持续光照下逐渐衰减至较低且稳定的稳态平台。通过在不同细胞外离子组成条件下测量反转电位的变化，纳格尔及其同事证实，这种通道介导阳离子沿电化学梯度被动向细胞内流动（Nagel et al.，2003）。

光遗传学：将光转化为行动

发现一种微生物蛋白质可以作为单一单元，同时发挥光感受器和离子通道的功能，为快速、可遗传靶向的神经元光学激活提供了恰好所需的分子机制。与此前发现的古菌光驱动离子泵不同，通道视紫红质是真正的离子通道。离子泵缓慢地逆电化学梯度转运离子，而离子通道则允许离子沿梯度快速流动，与动作电位的时间尺度恰好匹配。发现ChR1和ChR2是单组分光门控离子通道，为神经科学提供了长期寻求的精确工具。

卡尔·戴瑟罗斯实验室首次成功证明，ChR2可以在神经元中表达（图3）。戴瑟罗斯接受过精神科医学训练，当时正开始在斯坦福大学建立自己的实验室，他使用了格奥尔格·纳格尔提供的构建体。这一构建体包含报告荧光蛋白，可用于监测表达和定位（见Boyden，2011a、b的记述）。在初步实验中，团队转染了由哺乳动物中枢神经系统前体细胞分化而来的细胞。戴瑟罗斯以转录因子CREB的磷酸化作为神经元活动的间接指标，观察到表达出的蛋白质会对蓝光产生反应（见Deisseroth，2015的记述）。随后，他们优化了培养海马神经元的慢病毒基因递送方案，实现了稳定、定位于细胞膜的ChR2表达，且未见明显毒性（见Boyden，2011b；Deisseroth，2015的记述）。

然而，确切的功能证据要求在确认身份的神经元中直接测量电活动。对培养神经元的电生理记录显示，蓝光激活ChR2能够诱发精确的毫秒级动作电位（Boyden et al.，2005）。这一成功得益于格奥尔格·纳格尔的一项意外观察：无需添加外源视黄醛，因为内源性的微量视黄醛已足够（Boyden et al.，2005）。首次证明ChR2能够可靠地驱动神经元动作电位，是光遗传学发展的一个里程碑（图3）。

图3｜利用光对神经元动作电位进行光遗传学控制。（A）实验系统示意图。（B）以逐渐升高的频率施加光脉冲，诱发动作电位序列（Boyden et al.，2005）。

此后一年内发表的其他独立研究，证实了ChR2能够有效控制海马神经元活动（Li et al.，2005）、鸡胚脊髓中的运动活动（Li et al.，2005）、秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）的行为（Nagel et al.，2005）、视网膜反应（Bi et al.，2006），以及果蝇在经典条件作用中的强化学习（Schroll et al.，2006）。在这些研究基础上，加之无需外源视黄醛的优势，研究者随后借助病毒递送，将这一能力拓展至活体内的完整脑组织（Bi et al.，2006；Ishizuka et al.，2006；Zhang et al.，2006）。

通过以毫秒级时间精度提供去极化阳离子电流，ChR2使“光可以控制特定神经元活动”这一推测性构想，变成了可通过实验实现的现实。为了概括光控执行器与靶向性基因表达相结合所产生的独特协同作用，卡尔·戴瑟罗斯、冯国平（Guoping Feng）、安妮娅·马耶夫斯卡（Ania Majewska）、格罗·米森伯克、丁燕萍（Alice Ting）和马克·施尼策（Marc Schnitzer）在2006年的一篇综述中，正式提出了“光遗传学”这一术语（Deisseroth et al.，2006）。

利用光纤开展脑环路的光遗传学研究

下一个关键步骤，是在清醒、正在活动的哺乳动物深部脑结构中应用光遗传学。这要求将具有遗传靶向性的ChR2表达，与向特定脑区递送光的新方法结合起来。戴瑟罗斯及其同事开发了一种光学神经接口，将激光二极管与光纤连接，使研究者能够在自由活动的动物中，精确照射并控制特定的深部脑结构（Aravanis et al.，2007）。重要的是，他们证实，即使在活体动物中，整个过程也始终无需外源视黄醛。他们将啮齿动物的触须运动系统作为靶点，测量由此产生的触须偏转（图4）。通过在触须运动皮层第5层的兴奋性神经元中表达ChR2，他们成功实现了对触须偏转的光遗传学控制（Aravanis et al.，2007）。

图4｜利用光控制动物行为的活体光遗传学。（A）通过病毒递送的通道视紫红质2，由经光纤传入的光激活。（B）在啮齿动物触须系统中，通过触须偏转实验检测桶状皮层激活。（C）活体小鼠中由光刺激诱发的触须偏转；蓝色横条表示光刺激（Aravanis et al.，2007）。

最初旨在理解绿藻趋光定向运动的研究，最终发展为一种强大的新技术，开启了迅速扩展的研究领域，并很快重塑了现代神经科学的格局。弗朗西斯·克里克的理论愿景终于实现：科学家如今仅凭光，就能在清醒动物中控制遗传上界定的特定神经元的放电。

拓展光遗传学工具箱

虽然通道视紫红质为驱动神经元放电提供了强大机制，但要全面研究神经环路，还需要选择性抑制神经活动的能力。2007年，两项独立研究实现了这一目标：一项由卡尔·戴瑟罗斯实验室的张锋（Feng Zhang）及其同事开展（Zhang et al.，2007），另一项由韩雪（Xue Han）和爱德华·博伊登（Edward Boyden）领导（Han and Boyden，2007）。他们改造了来自古菌Natronomonas pharaonis的盐视紫红质（NpHR）。在哺乳动物神经元中表达后，NpHR在黄光照射下主动将氯离子泵入细胞，使细胞膜超极化，抑制动作电位。与由蓝光激活的ChR2相比，NpHR的作用波长向红光方向偏移。这种光谱分离使首次双色光遗传学实验成为可能，允许在同一环路内对神经元活动进行双向控制。

然而，NpHR及其后来经过工程改造的变体，如eNpHR3.0（Gradinaru et al.，2010），以及向外转运质子的质子泵（Chow et al.，2010），都依赖主动运输，每吸收一个光子只能转运一个离子。虽然研究者已通过突变改造ChR，使其能够传导氯离子（Berndt et al.，2014；Wietek et al.，2014），但真正的光门控抑制性通道仍然是人们迫切追求的目标。2015年，约翰·斯普迪奇实验室在隐藻Guillardia theta中发现了天然存在的光门控阴离子通道（Govorunova et al.，2015）。与离子泵相比，这些Guillardia theta阴离子通道视紫红质（GtACR1和GtACR2）具有高得多的光敏感性和氯离子电导。GtACR允许氯离子沿电化学梯度快速、被动流动，从根本上提高了光遗传学沉默神经元的效率。

用光遗传学解析大脑中行为的因果机制

光遗传学的一项早期活体应用，研究了外侧下丘脑食欲素／下丘脑分泌素（orexin/hypocretin）神经元的激活，与睡眠向觉醒状态转换之间的因果关系（Adamantidis et al.，2007）。虽然已知这些神经元对于维持觉醒状态的稳定性至关重要（Adamantidis et al.，2007），但它们的电活动是否足以驱动觉醒，还是仅与觉醒状态相关，当时尚不清楚。在卡尔·戴瑟罗斯和路易斯·德莱塞亚（Luis de Lecea）实验室的合作研究中，研究者利用病毒载体，将ChR2靶向表达于食欲素／下丘脑分泌素神经元。在活体内通过光纤照射外侧下丘脑，提高了动物从慢波睡眠和快速眼动睡眠转向觉醒的概率。状态转换的潜伏期严格取决于刺激频率。这项研究是最早的示范之一，证明光遗传学能够在特定神经元群体的放电动态与特定哺乳动物行为之间，建立直接的因果联系。

经过工程改造的视蛋白、靶向性基因表达和活体光学接口相结合，使神经科学家能够通过实验快速控制神经元活动。通过精确控制调节特定环路的时间和模式，研究者终于能够检验特定环路组成部分的充分性与必要性，从而在神经活动与行为之间确立明确的因果联系。

这一方法的一项深远应用，是寻找记忆印迹（memory engram），即编码特定记忆的物理性细胞基础。过去，研究者无法选择性地接触学习过程中发生改变的那些特定细胞，因此始终难以从因果层面证明记忆印迹的存在（Josselyn and Tonegawa，2020）。光遗传学通过依赖活动的遗传标记，弥补了这一缺口。在已故利根川进实验室的一项研究中，研究者仅在情境性恐惧条件化过程中活跃的海马齿状回神经元中表达ChR2。利根川进因发现抗体多样性的遗传学原理，获得了1987年诺贝尔生理学或医学奖。随后，在中性情境中对这些被标记细胞进行光刺激，触发了恐惧反应，证明激活特定神经元集合足以唤起记忆（Liu et al.，2012）。研究者还运用相同思路，制造了人工记忆：当小鼠在另一种环境中接受恐惧条件化时，通过光遗传学重新激活它们探索安全情境时自然活跃的神经元。当小鼠再次回到原先的安全情境时，尽管从未在那里接受过恐惧条件化，却出现了僵直反应（Ramirez et al.，2013）。这项研究证明，可以在构成记忆印迹的神经元集合中，对记忆内容进行因果性操控。

分离特定功能性神经元集合的能力，也深化了对神经调节中枢的理解，使研究者不再沿用将这些脑区视为均一广播系统的传统观点。此前，中脑多巴胺神经元被认为参与奖赏、厌恶和显著性等宽泛功能（Schultz，2007；Bromberg-Martin et al.，2010；Ungless et al.，2010）。光遗传学澄清了这种模糊认识：功能不同的多巴胺神经元群体虽然在解剖位置上混杂分布，但根据其环路连接关系却严格分离。例如，研究显示，腹侧被盖区的特定多巴胺神经元可以驱动相反的状态，完全取决于它们所处的连接路径：来自背外侧被盖区的传入驱动奖赏，而来自外侧缰核的输入驱动厌恶（Lammel et al.，2012）。将这种针对特定投射的研究方法应用于杏仁核，使研究者得以区分恐惧与焦虑等相互重叠的情绪状态（Ciocchi et al.，2010；Haubensak et al.，2010；Johansen et al.，2010；Stuber et al.，2011；Tye et al.，2011；Adhikari et al.，2015）。值得注意的是，激活基底外侧杏仁核到中央杏仁核的投射，会产生强烈的抗焦虑效应，减少焦虑相关行为（Tye et al.，2011）；而激活基底外侧杏仁核到腹侧海马的投射，则会迅速且明显地增加焦虑样行为（Felix-Ortiz et al.，2013）。

卡尔·戴瑟罗斯实验室的研究，进一步拓展了这种由投射界定的焦虑模块化机制。终纹床核的前背侧部分可划分为不同通路：到外侧下丘脑的投射介导行为上的风险回避，而到腹侧被盖区的投射则与正性效价相关（Kim et al.，2013）。这些发现表明，复杂情绪状态并非由作为单一整体的脑区控制，而是由彼此独立、按投射关系界定的环路组合而成。

这种由靶点界定的模块化原则广泛存在于大脑，使看似统一的先天行为能够被分解为不同的信息处理通路。在下丘脑腹内侧核的腹外侧亚区，大卫·安德森（David Anderson）实验室的研究发现，光遗传学刺激分子特征明确的Esr1阳性神经元，可以驱动一种依赖刺激强度的连续行为变化（Lin et al.，2011；Lee et al.，2014）。随着刺激强度增加，行为从社交互动线性变化为交配，最终发展为攻击。同样，凯瑟琳·杜拉克（Catherine Dulac）及其同事，将母性照料的复杂行为编排分解为独立的子程序（Kohl et al.，2018）。在内侧视前区，表达甘丙肽（galanin）的神经元中，按投射界定的不同亚群独立控制育幼行为的特定组成部分：一组投射神经元驱动与幼崽的运动互动，另一组控制寻找幼崽的动机，第三组调节与其他成年个体的社交互动。过去被视为不可分割驱力的先天行为，实际上由分子和解剖特征明确、可相互分离的模块构成。

这一并行处理框架也适用于脑干的运动控制。通过依据投射靶点区分中脑运动区，研究者将空间上重叠的神经元群体解析为不同功能通路，分别独立控制行走速度、身体伸展和精细的前肢操作（Caggiano et al.，2018；Ferreira-Pinto et al.，2021；Arber and Costa，2022；Leiras et al.，2022）。这些例子证明，并行且由投射界定的通路，编码不同的运动动作。

临床前沿：恢复视觉

视网膜色素变性（retinitis pigmentosa）是一种遗传性神经退行性疾病，由基因突变引起，导致光感受器，即视锥细胞和视杆细胞逐渐丧失，最终造成失明。光遗传学的一项早期应用，是在视网膜环路中表达ChR2。具体而言，潘卓华（Zhuo-Hua Pan）及其同事发现，将编码ChR2的腺相关病毒载体注射至眼内，可使啮齿动物的视网膜神经节细胞表达ChR2（Bi et al.，2006）。这些细胞位于视网膜信息处理通路的末端，通过视神经将视网膜与大脑连接起来。光照使表达ChR2的视网膜神经节细胞去极化，在视网膜色素变性小鼠模型中恢复了视网膜的光敏感性，使光信号能够传至视觉皮层（Bi et al.，2006）。

因此，在存活的视网膜神经元中表达ChR2，可能成为视杆细胞和视锥细胞退化后恢复视觉的一种策略。潘卓华及其同事随后证明，具有功能的ChR2也可以在狨猴存活的视网膜细胞中表达（Ivanova et al.，2010）。同样，通过病毒递送激活光谱向红光偏移的通道视紫红质Chrimson，可使猕猴视网膜神经节细胞产生高水平表达，并对光产生反应（Gauvain et al.，2021）。博通德·罗斯卡（Botond Roska）及其同事对这一方法进行调整，通过病毒将Chrimson递送至一名因视网膜色素变性而失明的患者的视网膜神经节细胞（Sahel et al.，2021）。经特殊设计的护目镜递送光脉冲，激活这些被转导的细胞，使患者获得持续的部分视觉恢复。患者重新能够分辨桌面上具有高对比度的物体，这种变化很可能对日常生活具有切实帮助。此外，多通道脑电图记录显示，在视觉感知过程中，视觉皮层出现了与物体相关的活动。目前，已有多项临床试验正在开展，利用光遗传学方法改善视网膜色素变性患者的视觉。

技术变革的传承

在认知、情绪和运动领域，这些发现和应用体现了一场深刻转变：过去被理解为统一现象的行为，如今可以通过实验分解为不同的计算通路。光遗传学允许在完整大脑中进行时间精确、针对特定通路的干预，通过揭示脑功能的因果逻辑，改变了神经科学。

光遗传学独特地解决了研究快速神经动态的问题；此后不久，化学遗传学（chemogenetics）也逐渐成熟，成为互补策略。这一方法主要由布赖恩·罗斯（Bryan Roth）实验室开创，标志是2007年开发出仅由设计药物激活的设计受体（Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs，DREADDs）（Armbruster et al.，2007），其基础是经过工程改造的G蛋白偶联受体。DREADDs对内源性神经递质不敏感，却对通常不具活性的合成配体高度敏感，例如氯氮平-N-氧化物（clozapine-N-oxide）（Armbruster et al.，2007；Roth，2016）或去氯氯氮平（deschloroclozapine）（Nagai et al.，2020）。其较慢的作用时间过程，以及通过外周注射配体即可在全身激活受体的特点，使这一工具特别适用于需要长时间神经调节的实验（Sternson and Roth，2014）。化学遗传学也适合调节规模庞大、分布广泛的脑环路，未来或许能够用于人脑，以应对多种疾病。

纵观神经科学历史，对脑功能认识的进步始终与技术创新密不可分。方法学进展不仅拓展了通过实验研究大脑的能力，也重塑了科学家能够提出的问题。现代神经科学本身就始于一项技术突破：卡米洛·高尔基开发的“黑色反应”染色法，使圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔得以提出神经元学说，两人因此获得了1906年诺贝尔生理学或医学奖。数十年后，埃尔温·内尔（Erwin Neher）和贝尔特·萨克曼（Bert Sakmann）的膜片钳技术，使研究者以前所未有的方式研究单个离子通道，改变了神经元和突触生理学研究，两人因此获得了1991年诺贝尔生理学或医学奖。光遗传学无疑属于这一系列具有变革意义的方法。通过利用光控制正在活动的动物中特定类型的神经元，这项技术实现了早期的理论构想。因此，光遗传学远不止是一项技术突破：它使神经科学从观察和“读取”脑活动，转向主动向其中“写入”，在分布式、由遗传特征界定的环路结构与行为、情绪及认知之间建立了因果联系。

编译：神经现实

来源：https://www.nobelprize.org/

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