“光开关”为脑科学打开新路

卡尔·戴塞罗思 彼得·黑格曼 格奥尔格·内格尔

一只会向光游动的单细胞绿藻，为人类研究大脑提供了新钥匙。昨天，2026年诺贝尔生理学或医学奖授予卡尔·戴塞罗思、彼得·黑格曼和格奥尔格·内格尔，表彰三人“在光门控离子通道和光遗传学方面的发现”。这三位科学家发现并发展出的光遗传学技术，可以用光快速打开或关闭特定神经细胞。借助这只“光开关”，研究人员不再只是观察人在回忆、恐惧或行动时哪些脑区变得活跃，还能验证究竟是哪组神经细胞、哪条脑回路直接参与记忆、情绪和行为。

给细胞装“开关”

光遗传学的起点，是一种没有眼睛却能感受光并且向光源游动的单细胞绿藻莱茵衣藻。赫格曼和内格尔发现，衣藻细胞膜上有种特殊的感光蛋白，当蓝光照来，蛋白就像自动门打开，允许带电粒子穿过细胞膜，产生电信号。戴塞罗思随后把相关基因导入神经细胞，使神经细胞也拥有感受光的能力。

如果把大脑比作线路密布的城市，过去的技术能看到哪个街区亮了，光遗传学则像给指定线路单独装上开关。脑科学由此从“看到相关”走向“验证因果”。“神经科学长期想回答的问题是，究竟是哪类神经细胞负责什么功能。”华东师范大学生命科学学院院长叶海峰教授认为，这个案例恰好说明不同领域的基础研究如何在交汇后产生一种全新的工具。“光遗传学解决了神经科学长期缺少高时空精度调控工具的问题。”上海交通大学变革性分子前沿科学中心特聘教授凌代舜解释，神经活动发生得非常快，不同类型的神经细胞高度交错分布，因此研究大脑不仅要“看得见”，更要能在正确的时间、位置精准控制特定类型的神经细胞。

复旦大学脑科学研究院教授禹永春以恐惧记忆研究为例解释，实验中观察到某群神经元在恐惧记忆形成或消退时活跃，只能说明两者存在联系。借助光遗传学，研究人员能进一步激活或抑制这些神经元，观察动物的恐惧行为会不会随之改变。“这样就能把‘相关’进一步推进到‘因果’。”

改变研究范式

兼具精神医学、神经科学与生物工程专业背景的戴塞罗思，牵头开启了光控生命研究的跨学科探索。2004年，戴塞罗思向研究者内格尔求取绿藻通道视紫红质2的DNA，内格尔随即将其从德国寄到美国斯坦福大学。2005年，戴塞罗思团队取得突破性研究成果，通过毫秒级蓝光脉冲，精准控制神经元活动，为光遗传学研究奠定核心基础。

当时正在欧洲攻读博士学位的叶海峰，密切关注到这一重大科研进展，并主动向相关研究团队申领实验材料。不同于戴塞罗思聚焦光线控制神经细胞兴奋的研究方向，叶海峰和导师则思考如何让光控制基因工作，进而控制胰岛素等治疗物质的产生。

凌代舜也强调了戴塞罗思工作的开创性——把藻类研究、生物物理、基因工程和神经科学中的技术集成为一套真正可用的方法，改变了脑科学的研究范式，“是真正实现调控神经细胞从0到1的工作”。

离治病还有多远

光遗传学已开始走出实验室。诺贝尔奖官方介绍中提到了一项视觉恢复研究，科研人员将红光敏感通道蛋白，植入视网膜色素变性患者体内仍存活的视网膜神经节细胞中，再通过特制护目镜提供专属光刺激，帮助患者恢复部分视觉功能。

不过光遗传学技术仍存在短板，光线在人体组织中存在照射深度不足、容易散射等问题，限制了临床应用范围。叶海峰说，正是认识到这些局限，他的团队正在探索用组织穿透能力相对更强的红光、近红外光控制基因表达、细胞信号及治疗物质释放。团队通过光控制胰岛素表达使治疗物质只在需要时释放，已经开启转化阶段。

禹永春则提到，“精准识别并调控异常神经环路”可能成为未来干预脑疾病的重要方向。不过，他同时道出该领域的共性难题——从动物实验中的神经环路调控走向临床，还要面对基因递送、脑内照明、长期安全性等难题。

事实上，光遗传学建立了“外部物理信号—生物信号”转换的调控范式，正启发更多领域。凌代舜团队正关注利用磁场、声波等具有不同传播特性的物理刺激，实现对深部组织和细胞的精准调控。该团队结合化学、生物学与材料科学技术，研发出可感知、转化外部物理刺激的功能材料与微型纳米换能器，并将其用于神经退行性疾病、肿瘤、免疫类疾病的相关研究，有望研发出新一代无创、精准的生命调控技术，为疑难疾病治疗提供全新解决方案。

本报记者 易蓉