瑞典卡罗林斯卡研究所的诺贝尔委员会宣布,将2026年诺贝尔生理学或医学奖授予三位研究者:美国霍华德·休斯医学研究所研究员、斯坦福大学D.H.陈教授卡尔·戴瑟罗斯,德国柏林洪堡大学神经科学赫蒂高级教授彼得·赫格曼,以及德国维尔茨堡大学分子植物生理学教授格奥尔格·纳格尔。获奖理由是"关于光控离子通道与光遗传学的发现",三人将均分1200万瑞典克朗(约合1.89亿日元)的奖金。
人脑中,大量神经细胞通过交换电信号,产生记忆、情感和行为。但要查清某个神经细胞活动时究竟会引发什么行为,并不简单。
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用切除特定神经细胞的实验,可以研究其影响。但大脑可能会适应细胞缺失的状态。因此,人们需要一种方法:不严重损伤大脑,只在想要的时机让目标神经细胞活动或停止活动。
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突破口来自一种会游泳的藻类
打开局面的,是生活在水中、单细胞的绿藻"莱茵衣藻"。莱茵衣藻有感知光线、朝光源游动的特性。赫格曼和纳格尔在2000年代初,研究了参与这一机制的蛋白质"通道视紫红质"。
通道视紫红质位于细胞表面,接收到蓝光时会像门一样打开。于是,带电荷的离子流入细胞内,细胞的电学状态随之改变。进一步研究后发现,把通道视紫红质的基因植入另一种细胞,也能让那种细胞对光产生反应。
戴瑟罗斯等人把这一机制用于操控神经细胞。他们将制造通道视紫红质的基因导入大鼠神经细胞,2005年成功用蓝光照射使神经细胞产生电信号。到2007年,他们又证明,在活体小鼠脑内也能用光操控神经细胞。
从观察到因果
这项研究催生了被称为"光遗传学"的技术。比如,给特定神经细胞装上可用光操控的开关,就能观察光照时会发生什么。此外,对不同颜色光产生反应的蛋白质也被开发出来,反向抑制神经细胞活动的机制也能使用。随着可对动物脑部局部照射的小型光源和细光纤被开发出来,即使是相对自由活动的动物,也能只操控脑内特定神经回路进行实验。
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以往研究中,即便知道某个脑区在特定行为时活动,也很难证明这种活动真的引发了行为。光遗传学则能有意识地让目标神经细胞活动或抑制其活动,然后确认行为随即如何变化。因此,不仅能观察脑活动与行为的关联,还能研究两者的因果关系。
光遗传学目前被用于广泛研究:记忆如何保存、睡眠与觉醒如何被控制、特定情感或行为由哪些神经回路承担。它也被用于解开与抑郁症、精神分裂症、阿尔茨海默病等相关的脑功能。
医疗应用也已开始。视网膜色素变性是一种感知光线的细胞丧失的疾病。针对这种病,利用光遗传学让残留细胞获得对光的感受性、部分恢复患者视觉功能的研究正在推进。不过,截至文章撰写时,光遗传学主要仍作为研究手段使用,并未成为治疗广泛神经疾病的通用医疗技术。
诺贝尔生理学或医学奖委员会主席佩尔·斯文宁松解释说,借助光遗传学,人们能以过去只能梦想的方式详细研究大脑。
另外,赫格曼在获奖公布前,收到一封陌生人发来的邮件,写着"有重要的事,请回电",他起初没有理会。但看到邮件里写的电话号码后,他凭借驾帆船航行的经验,认出那是瑞典的国号,于是回拨,对方正是诺贝尔委员会。打电话的时机,距离获奖者正式公布只剩几分钟。赫格曼回忆说,得知自己获奖时,他感到不知所措。
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