一束光控制大腦：光遺傳學拿下2026年諾貝爾生理學或醫學獎。

引言：成年人的大腦約有900億個神經細胞，每個細胞與數千個同伴相連，信號以毫秒爲單位傳遞。二十世紀的腦科學畫出了功能地圖，卻始終缺一件工具，無法證明哪一羣細胞直接導致了哪種行爲。

2026年10月5日，卡羅林斯卡學院的諾貝爾大會宣佈，本年度諾貝爾生理學或醫學獎授予卡爾·戴塞羅思（Karl Deisseroth）、彼得·黑格曼（Peter Hegemann）與格奧爾格·納格爾（Georg Nagel）三人，表彰他們“關於光門控離子通道與光遺傳學的發現”。

這套技術讓研究者用一束藍光開關活體大腦裏的特定神經細胞，記憶可以被重新喚醒，行爲可以被即時觸發，失明多年的患者也藉此重新辨認出桌上的物品。

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一、早期工具的精度困局

想在活體大腦裏精確干預神經活動，這個念頭並不新鮮。

1979年，DNA雙螺旋的發現者之一弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出：

要理解大腦，必須能精準擾動特定的一羣神經元，同時讓其餘細胞基本不受影響。

他進一步設想，用一種快速的方法開關清醒動物體內某幾類神經元的放電，而最理想的信號是光。克里克自己也承認，這個設想在當時聽起來相當遙遠。

傳統工具確實做不到。電刺激分不清細胞類型，藥物起效以分鐘計，成像技術只能記錄活動、無法干預活動。研究者手裏積累的多是相關性，難以逼近因果。

要補上這塊短板，需要一件合適的工具，一等就是二十多年。

二、萊茵衣藻的半個毫秒

故事要從一種單細胞綠藻講起。

「萊茵衣藻」直徑約0.015毫米，有一項特殊本領：朝着光源遊動。

1990年代初，彼得·黑格曼在德國馬克斯·普朗克生物化學研究所研究這種趨光反應。

藻細胞表面有一個橙色小點，稱爲眼點，裏面裝着捕光分子視黃醛。

黑格曼用微型電極測量眼點受光後的電信號，結果快得反常：

光一照到眼點，半個毫秒內電脈衝就出現了。這項測量發表於1992年。

對照組是人眼。光進入人眼後要走完一整條化學級聯反應，全過程至少10毫秒，衣藻的反應比人眼快二十多倍。

他由此提出一個假設：

衣藻體內存在一種蛋白，既能捕獲光線，本身就是離子通道。當時已知的離子通道沒有一種能自己感光，學術界並不相信這個說法。

三、蛙卵裏的感光通道

轉機出現在2000年前後。

日本的研究團隊測定了萊茵衣藻的基因組，把數千個基因的編碼序列公開出來，黑格曼團隊從中篩出兩個基因，與已知的捕光蛋白基因高度相似。

要驗證這兩個基因，他找到了合適的搭檔：在法蘭克福馬克斯·普朗克生物物理研究所工作的格奧爾格·納格爾，擅長用蛙卵研究蛋白的功能。

納格爾把兩個基因的複本分別注入兩批「非洲爪蟾」卵母細胞，卵細胞隨即大量生產這兩種未知蛋白，並把它們嵌進細胞表面。

光一照，通道打開，帶正電的離子湧入細胞，電信號隨之出現。

黑格曼十年前的假設，就此被證實。

兩種蛋白被命名爲「channelrhodopsin-1」與「channelrhodopsin-2」，中文稱「視紫紅質通道蛋白-1」和「視紫紅質通道蛋白-2」。

前者的結果先一步發表於2002年的《科學》雜誌，走通光遺傳之路的是後者。

2003年發表於《美國國家科學院院刊》的論文給出了關鍵參數：

ChR2對光脈衝的反應又強又快，0.2毫秒內通道開啓，陽離子隨即流入。

黑格曼與納格爾還把ChR2基因導入人胚腎細胞和倉鼠腎細胞，這些細胞全部變得感光。

論文明確提出，ChR2可以作爲一件強大的工具，用光在細胞裏產生電脈衝。

四、從培養皿到活體大腦

此時的斯坦福大學，有位年輕的精神科醫生正在等這樣一件工具。

卡爾·戴塞羅思（Karl Deisseroth）在醫學院期間進過精神科病房，患者的痛苦與現有療法的乏力給他留下了很深的印象。

他一邊接受臨牀訓練一邊攻讀神經科學博士，認定要弄清抑鬱症、自閉症這類疾病的根源，必須研究活體大腦裏的神經細胞。

組建實驗室後，團隊測試了大量候選蛋白，直到聽說ChR2，戴塞羅思直接寫信向納格爾索要編碼這種蛋白的DNA。

DNA運抵後，團隊把它導入培養皿中的大鼠神經細胞，起初擔心外源基因會影響這些嬌貴的細胞，結果細胞安然無恙地造出了ChR2。

藍光一照，細胞立即放電，神經信號一路傳給鄰近的細胞。

2005年，這項成果發表於《自然·神經科學》，作者名單裏同時出現了納格爾的名字。

2006年，這套方法有了正式的名字：光遺傳學（optogenetics）。

2007年，工具進了活體大腦。戴塞羅思團隊把ChR2基因送入小鼠運動皮層，再經顱骨上的小孔插進一根細細的光纖，光一亮，小鼠的鬍鬚動了。

同年，團隊與另一個研究組合作，把ChR2導入小鼠下丘腦中一羣促醒神經元，光脈衝一開，睡眠中的小鼠醒了過來。論文還顯示，5至30赫茲的光脈衝能縮短清醒的潛伏期，1赫茲無效。

五、臨牀嘗試

環路研究隨之鋪開。

藉助光遺傳學，研究者陸續定位了控制疼痛、口渴、進食、獎賞與社交行爲的特定細胞羣；戴塞羅思還證明了心臟節律能反過來影響情緒，心臟被迫加速工作時，焦慮感會加重。

最引人注目的成果來自記憶領域。

2012年，戴塞羅思與1987年諾貝爾生理學或醫學獎得主利根川進合作，在小鼠身上完成了一項實驗：

小鼠經歷恐懼體驗時，海馬齒狀回裏正在放電的那一小羣神經元被同步標記上ChR2。

數日後，小鼠被放回一個完全不同的安全環境，研究者用光重新激活那羣細胞，小鼠當場出現了僵直反應，這段恐懼記憶被重新喚醒。

按論文的表述，這是研究者頭一回精確證明，一段特定的記憶由哪羣神經細胞承載。

醫學應用也在推進。在針對視網膜色素變性的臨牀試驗中，研究者向失明患者的視網膜植入了類ChR蛋白，配合一副會發光的特殊眼鏡，這位患者重新辨認並抓取了桌上的物品。

人工耳蝸可能受益於同一條路徑。

目前的耳蝸植入物用電信號刺激聽覺神經，精度有限，若改用光遺傳學，刺激的精確度有望提高。

六、總結一下

2026年的諾貝爾生理學或醫學獎，表彰了一條從好奇到臨牀的完整鏈條：黑格曼與納格爾在一種單細胞藻類裏找到了自己會感光的離子通道，戴塞羅思把它裝進神經細胞，讓一束光成了大腦的開關。這項技術如今遍佈世界各地的實驗室，也已經在盲人身上取得了初步的臨牀結果。

本期話題：如果有辦法用光重放自己的一段記憶，你想先重放哪一段？

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