神经元有了“光控开关”？三位科学家因此获诺奖！

来源：科技日报

人脑不过1.3千克，却装着记忆、梦境、创造力和喜怒哀乐，也控制着呼吸、心跳和睡眠。一个世纪以来，科学家一直试图绘制大脑的“地图”，但传统方法往往只能说明某个脑区与某种功能有关，很难进一步弄清究竟是哪类神经细胞在发挥作用，更难证明它们是否直接导致了某种行为。

科学家曾梦想为神经细胞装上开关。

美国科学家卡尔·戴塞洛特（Karl Deisseroth）、德国科学家彼得·赫格曼（Peter Hegemann）和德国科学家格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel）因在光控离子通道和光遗传学方面的发现，荣膺2026年诺贝尔生理学或医学奖。

三位科学家的研究，让科学家能够给神经元装上“光控开关”。他们从一种会追逐光线的单细胞藻类出发，发现了能够被光打开的离子通道，并进一步将这种来自藻类的蛋白质用于控制神经细胞。由此诞生的光遗传学，让科学家能够在活体大脑中，以毫秒级速度精准控制特定神经细胞。

从一只“追光”的藻类开始

这一切始于赫格曼的好奇心。20世纪90年代初，他对一个看似简单的问题产生了兴趣：莱茵衣藻为什么能够朝着光线游动？

这种单细胞藻类表面的“眼点”能够感知光线，那是细胞表面一个微小的橙色斑点，其中含有一种能够捕捉光线的分子，即视黄醛。实验显示，光打到眼点后仅约0.5毫秒，藻类细胞就会产生电信号。相比之下，人眼从感受到光线到产生相应反应，通常需要至少10毫秒。

衣藻利用其眼点感知光线。当光线足够强时，它会游向光源。

如此迅速的反应让赫格曼猜测，藻类体内或许存在一种特殊蛋白质，能够同时干两件事：既能感受光线，又充当离子通道，把光信号转化为电信号。

这个想法起初并不好验证。相关蛋白质离开藻类细胞后很不稳定。直到莱茵衣藻基因组研究取得进展，赫格曼团队才发现了两个与光感受蛋白相关的基因。

随后，赫格曼找到纳格尔合作。纳格尔将这两个基因分别注入蛙卵细胞，使蛙卵细胞大量产生相应蛋白质。实验结果终于揭示，这些蛋白质本身就是能够被光控制的离子通道。

当纳格尔和赫格曼将衣藻基因导入蛙卵后，蛙卵开始产生离子通道蛋白，这些蛋白最终出现在卵的表面。当研究人员照射这些离子通道时，它们打开了。离子随后流过这些通道，产生电信号。

给细胞装一个“光控开关”

其中一种蛋白质后来被称为“通道视紫红质-2”。它的特别之处在于，只要受到蓝光照射，通道就会迅速打开，带正电的离子随即流入细胞，引发电信号。

更让人兴奋的是，它并不只在藻类细胞里管用。

研究人员把编码通道视紫红质-2的基因导入原本不会感光的人类胚胎肾细胞和仓鼠肾细胞。结果，这些细胞也获得了对光的响应能力。

戴塞洛特将编码通道视紫红质-2的基因导入培养皿中培养的神经细胞，使这些神经细胞对光敏感。研究人员利用蓝光触发了快速的神经信号。

2003年，赫格曼和纳格尔发表研究成果，提出可以利用通道视紫红质-2，通过光线在细胞中产生电信号。

这项发现恰好为科学家多年前的一个设想提供了现实工具。1962年诺贝尔生理学或医学奖得主弗朗西斯·克里克曾设想，如果能够让单个神经细胞对光产生反应，就有可能利用光控制它们的活动。

关键问题随之而来：这种来自藻类的“光控开关”，能不能装到神经细胞上？

用一束光遥控活体大脑

戴塞洛特给出了答案。

上世纪90年代，戴塞洛特在学医期间，曾接触过抑郁症、自闭症和精神分裂症患者。他逐渐意识到，想真正理解这些疾病，只观察大脑不同区域的活动远远不够。科学家需要知道，某一类神经细胞究竟如何影响具体行为。

通道视紫红质-2提供了这种可能。戴塞洛特将编码这种蛋白质的基因导入大鼠神经细胞。结果，神经细胞能够正常产生通道视紫红质-2。蓝光一照，它们立即产生神经信号，并把信号传递出去。

戴塞洛特的研究小组将通道视紫红质-2基因导入活体小鼠的大脑。然后，他们将一根细光纤插入大脑。当他们通过光纤照射神经细胞时，触发了神经信号，从而引起胡须运动。

2005年，戴塞洛特团队发表了这一突破性成果。两年后，他进一步让这种由光控制的“开关”在活体小鼠的大脑中发挥作用。他们把通道视紫红质-2导入小鼠运动皮层中的特定神经细胞，再通过光纤向大脑传递蓝光，就能控制小鼠的胡须运动。

光遗传学解锁治疗新可能

这种利用光来控制神经信号的方法，如今被称为“光遗传学”。随着技术发展，科学家逐渐发现，它不仅能帮助解析大脑神经回路，也可能为神经系统疾病治疗提供新思路。

目前，光遗传学已用于研究抑郁症、焦虑症、精神分裂症、阿尔茨海默病和帕金森病等疾病的神经机制。在临床研究中，科学家还尝试将类似通道视紫红质的蛋白质导入视网膜，帮助视网膜色素变性患者恢复部分视力。一名患者借助特殊眼镜，已经能辨认并抓取物体。科学家还希望用光信号替代人工耳蜗中的电信号，更精准地刺激听觉神经。

光遗传学从根本上改变了人们研究大脑的方式。如今，科学家能够借助这项技术精准控制特定神经细胞，进一步探索大脑的工作机制，逐步解开大脑究竟是如何工作的这一困扰人类已久的谜题。

（图片来源：诺贝尔生理学或医学奖委员会）