2026 诺贝尔生理学或医学奖:给大脑装上“光开关”,光遗传学拿诺奖啦!
照一下光就能让选中的神经元开始工作甚至让小鼠表现出与一段记忆有关的反应。听起来有点科幻但这项技术已经帮助科学家研究大脑二十多年啦2026 年 10 月 5 日诺贝尔生理学或医学奖颁给了 Karl Deisseroth、Peter Hegemann 和 Georg Nagel表彰他们在光门控离子通道与光遗传学方面的发现。今天咱们就来看看大脑里的“光开关”到底怎么来的一种小小的藻类又怎么和记忆、情绪联系到了一起。[1]官方获奖信息2026 年诺贝尔生理学或医学奖。01 神经活动与行为的因果关系我们先想一个很日常的问题为什么某个味道一出现就能让人想起小时候大脑里有大量神经元也就是传递信息的神经细胞。它们相互连接通过电信号和化学信号交流。记忆、情绪和行为就在这些细胞的共同活动中发生。科学家可以记录哪些细胞在一个行为发生时比较活跃。但这还留下一个难点跟着活跃起来的细胞究竟参与推动了这个行为还是只是接收到了相关信息咱们拿一个假设的例子来理解。听到上课铃声时走廊里的学生多了教室里的灯也亮了。如果只观察到“灯亮”和“学生进教室”一起发生显然还不知道灯在其中起了什么作用。研究大脑也是如此。要往前走一步最好能主动改变选中的细胞再观察行为怎样变化。电刺激能很快改变神经活动但也容易影响附近不同类型的细胞和经过那里的神经纤维。药物有时可以针对特定受体可扩散和起效的时间又不一定适合追踪快速的神经活动。[2]能不能选对细胞还能精确决定它们什么时候开始、什么时候停下光遗传学解决的就是这个让神经科学家惦记了很久的问题。02 衣藻感光与 ChR2 的发现这个发现的起点并不是给大脑治病而是一个看起来很基础的问题衣藻怎么知道光在哪边衣藻是一种单细胞绿藻能借助鞭毛游动也会对光作出反应。细胞里有一个叫“眼点”的结构和感光有关。大家看下面这张图左边那个小小的红色区域就是眼点eye spot。它当然没有长出我们这样的眼睛但确实拥有感知光的分子装置。[3]图 1衣藻的眼点与向光游动。左边是衣藻结构右边示意培养皿中的衣藻向光源一侧聚集。图源诺奖官网© The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén。Peter Hegemann 研究衣藻的感光机制时留意到了它非常快的电反应。一个重要猜想由此出现这里会不会有一种蛋白既能感光又能直接打开一个让离子通过的通道[3]这个问题后来有了合适的实验搭档。Georg Nagel 擅长用非洲爪蟾的卵母细胞研究膜蛋白。他们让这些细胞制造衣藻中的候选蛋白再照光、记录电流。[4]这样做的妙处在于研究者可以把候选蛋白放到另一个细胞系统里看看光反应能不能跟着一起“搬家”。如果能就更容易分清到底是衣藻里一整套复杂装置在起作用还是这个蛋白本身就具有关键功能。结果他们找到了能被光直接开启的通道蛋白。2002 年和 2003 年的研究分别揭示了通道视紫红质 1 和 2 的功能其中通道视紫红质 2简称 ChR2成为后来光遗传学的重要工具。[2,4]图 2把衣藻的感光通道放到蛙卵细胞中研究。左边示意导入相应遗传信息中间的通道处于关闭状态右边照光后通道打开带电离子通过形成可记录的电流。图源诺奖官网© The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén。小小知识要知道离子通道是什么嘞细胞膜把细胞内外分隔开来。带电的粒子也就是离子通常需要通过膜上的通道才能跨膜移动。我们可以把离子通道理解成一种有选择性的“门”。离子的移动会改变细胞膜两侧的电压。对神经元来说这种电压变化足够大时就可能触发一次动作电位也就是沿神经元传播的短暂电信号。ChR2 的特别之处是合适波长的光能让这扇门打开。在常见的神经元实验条件下它让正离子流入使细胞更容易被激活。[4]原来藻类已经提供了一种把光信号转成电变化的办法。接下来就轮到神经元了03 ChR2 介导的神经元光控制要研究神经细胞的活动怎样影响情绪和行为需要能在细胞层面进行干预的工具。ChR2 给了一个很直接的实验思路让培养的神经元表达这种蛋白再用蓝光照它们看看能不能产生神经信号。不过思路简洁实验未必轻松。藻类蛋白得在哺乳动物细胞里正常制造出来进入合适的膜位置还得有足够强、足够快的光反应同时不能严重损害细胞。[2]2005 年Edward Boyden、Feng Zhang、Ernst Bamberg、Georg Nagel 和 Karl Deisseroth 在《Nature Neuroscience》发表了关键研究。他们在培养的哺乳动物神经元中表达 ChR2通过短暂的光脉冲实现了毫秒时间尺度的神经活动控制。[5]图 3让培养的神经元表达 ChR2再用蓝光触发神经信号。右侧白色尖峰示意动作电位不是这张图直接展示的实验记录。图源诺奖官网© The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén。大家看图 3 右边光照打开通道离子流动改变膜电压接着出现神经信号。这样研究者就能用光脉冲安排细胞活动的时间啦上面是原理示意咱们再看一段真实的神经元电压记录Boyden 等2005原文图 1e。灰色短线表示光脉冲黑色曲线表示神经元的膜电压三组记录分别使用 5、10 和 15 毫秒的光脉冲。文献图 1e短光脉冲诱发神经元的电压变化与放电Boyden 等2005。在这个记录示例中10 和 15 毫秒光脉冲下出现了明显的动作电位尖峰5 毫秒脉冲引起的电压变化则较小。它也提醒我们光照时长和细胞的反应条件会影响是否触发放电。图里的尖峰才是研究者实际记录到的神经信号。[5]后来又发展出了不同的感光蛋白有的帮助激活细胞有的帮助抑制细胞。具体用什么颜色、产生什么效果要看选的是哪一种蛋白和实验条件。[2]小小知识要知道“光”与“遗传”各自管哪一步遗传工具主要负责让哪些细胞表达感光蛋白光照主要负责安排这些细胞在什么时候受到干预。实际的选中范围还受到表达方式、照光位置和组织内光传播的影响。所以光遗传学需要先让目标细胞获得相应的感光能力。普通手电筒照一下脑袋并没有完成这一步哟到这里我们已经有了一个可控制神经元的工具。但培养皿中的细胞与一只正在活动的小鼠毕竟还有很大距离。04 活体小鼠的神经活动控制大脑组织会吸收和散射光脑内深处的细胞很难直接受到外部光照。要研究活体动物研究者还需要把光送到目标位置。2007 年Deisseroth 团队等推进了这一步通过光纤把光送入活体小鼠的大脑在目标神经元中表达感光蛋白从而控制脑内活动。关键研究还展示了对小鼠胡须运动的影响。[2,3]图 4在活体小鼠中把基因表达与光纤送光结合起来。光纤optical fiber将光带到脑内目标区域右边示意记录到的神经信号。图源诺奖官网© The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén。这样科学家就能在动物活动时按计划改变某些神经细胞的活动看看行为有没有随之改变。回到开头的问题如果选中的细胞在某个行为出现时很活跃我们现在可以进一步激活或抑制它们再比较动物的表现。两类干预分别帮助检验“这群细胞的活动能否引出某种反应”以及“正常出现这种反应是否需要它们”。当然实验还得设置适当的对照并确认真正改变了哪些细胞。[2]光遗传学的价值就在这里它让研究者有办法把一个具体的细胞群与可以检验的行为问题联系起来。05 恐惧记忆相关神经元的再激活一个很有代表性的应用是 2012 年发表在《Nature》上的小鼠记忆研究。[6]研究者先让小鼠经历与环境相关的恐惧学习在这一过程中标记海马齿状回里活跃的一部分神经元并让它们表达 ChR2。齿状回是海马中的一个区域参与记忆相关的信息处理。接着小鼠被放到另一个环境里。研究者通过光照重新激活之前标记的细胞。结果小鼠出现了更多“僵直”行为也就是身体保持不动的一种防御反应常用来衡量小鼠的恐惧记忆表达。[6]这里最重要的比较放在原文图 3a–c 中。我们先看左边的 a 面板纵轴是僵直时间占观察时间的百分比横轴按“关光—开光—关光—开光”排列每段 3 分钟。红线是恐惧学习后的测试蓝线是学习前的环境适应阶段。文献图 3a–c重新激活学习时标记的神经元诱发僵直行为Liu 等2012。每组 12 只小鼠误差线为均值±标准误。a 面板开光与关光比较F(1,22)37.98P0.001。b 为没有电击学习的对照c 为表达 EYFP、未表达 ChR2 的对照。学习后的红线在开光时升高关光时又下降学习前的蓝线保持在较低水平。但只有这一组还不够。中间的 b 面板中小鼠没有经历电击学习照光后没有出现同样明显的僵直增加右边的 c 面板中小鼠虽然经历了学习却只表达荧光标记 EYFP没有 ChR2照光也没有引出同样的反应。[6]这两组对照很关键恐惧学习经历和能够被光激活的细胞两者都参与了实验组的反应。我们因此能把这个结果与此前标记的学习相关细胞联系起来。咱们留意这里最有意思的一点这次干预直接作用于此前学习时活跃的细胞而不是把小鼠重新放回原来的学习环境。研究者因此获得了更直接的证据说明这群细胞的再激活能够引出相应的记忆相关行为。小小知识要知道科学家怎么判断小鼠“想起来了”这个实验通过僵直行为及对照条件研究恐惧记忆的表达。它支持特定神经元群在这一过程中发挥因果作用小鼠主观上“回想起了什么画面”并不是实验能直接读出的内容。[6]这样的实验开始让“记忆储存在怎样的细胞活动中”变成一个能具体操作的问题。读到这里大家应该能感受到真正令人兴奋的是我们终于能对这些过去很难下手的问题设计出更有针对性的实验了。06 光遗传学与部分视觉恢复小伙伴们大概还会关心这项技术能给患者带来什么呢视觉恢复已经出现了值得关注的人体研究。2021 年《Nature Medicine》报告了一名视网膜色素变性患者接受光遗传学干预后部分视觉功能恢复的结果。[7]这类疾病会造成视网膜感光细胞的退化。研究者尝试让仍然保留的视网膜神经节细胞表达感光蛋白再借助专门的眼镜把外界图像转成适合刺激这些细胞的光信号。在这项研究中患者接受训练后在佩戴相应眼镜的条件下能够感知、定位、计数和触摸一些物体。这里恢复的是特定条件下的部分视觉功能距离正常视觉仍有很大差距。[7]研究者还设计了一项更明确的检测任务桌上有时放杯子有时不放请患者用按键回答“有”还是“没有”同时记录脑电活动。下面是原文中的实验现场原文图 1c。患者戴着专用眼镜和脑电帽帽上的电极用来记录脑活动。文献图 1c视觉检测与脑电记录的实验现场Sahel 等2021。接着研究者检查枕部脑电信号能否区分“有杯子”和“没杯子”的试次。这里的枕部位于头部后方与视觉信息处理有关。下图纵轴是用脑电信号判断这两种情况的平均准确率红色虚线表示 50%的随机水平原文图 2b。文献图 2b用脑电活动区分“有物体”与“无物体”Sahel 等2021。由左至右为刺激单眼睁眼、刺激单眼闭眼、自然双眼睁眼、自然双眼闭眼、自然单眼睁眼、自然单眼闭眼。黑点是交叉验证中各折的准确率误差线为标准误它们来自同一名患者并非多名受试者。最左边一组也就是用专用眼镜刺激接受治疗的眼睛、并保持睁眼时脑电解码准确率显著高于 50%其余条件没有达到显著高于随机水平的结果。这里测量的是脑电信号对物体有无的区分能力并不是患者日常视觉恢复了多少百分比。与行为检测放在一起看这一步为患者获得了视觉输入提供了补充证据。[7]但这个结果已经很有意义借助基因递送和光学设备一部分原本不承担主要感光任务的细胞可以参与建立新的视觉输入。如果进一步把工具用于脑内疾病治疗还需要解决细胞选择、基因递送、送光装置和长期安全性等问题。动物中对某种行为或疾病模型产生影响与在人类患者中形成有效治疗之间还有不少工作要做。[2]因此今年诺奖所表彰的成就首先是一项强大的研究工具及其基础发现。它让我们更精确地认识神经细胞也为寻找治疗办法提供了新的线索。总结与展望再回头看这项成果经历了好几个关键的转折衣藻为什么能迅速感光感光蛋白怎样直接打开离子通道怎样把这种能力带进神经元又怎样在活体动物里使用它。每一步都解决了前一步还没解决的问题。今天大家熟悉的“用光控制大脑”就是这样一点点做出来的。今年获奖的是三位科学家光遗传学的发展还包括许多研究者的贡献。比如 2005 年的关键论文里就有 Boyden、Zhang 和 Bamberg 等人的工作后来的蛋白改造、送光技术和应用研究也不断扩展了这套工具。[2,5]我觉得这里很值得多想一下当年那个“衣藻怎么感光”的问题本身就值得认真研究。发现一种细胞的工作方式后来竟能帮助我们研究另一种细胞甚至走向人体应用。这样的联系很难在研究刚开始时就完整预料到。所以下次再看到一个看起来离医学很远的基础研究咱们或许可以多停一下它到底发现了什么这个发现又可能让哪些原本做不了的实验变得可行呢文末碎碎念那今天的分享就到这里啦我们下期再见哟最后顺便给自己推荐一下嘿嘿嘿如果我的分享对你有用的话欢迎关注点赞在看转发分享阿巴阿巴阿巴阿巴巴巴这可是我的第一原动力蟹蟹你们的喜欢和支持参考资料诺奖官网2026 年诺贝尔生理学或医学奖新闻稿2026-10-05诺奖官网Scientific background 2026诺奖官网Popular science background 2026Nagel G, et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel.PNAS. 2003;100:13940-13945. DOI10.1073/pnas.1936192100Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity.Nature Neuroscience. 2005;8:1263-1268. DOI10.1038/nn1525Liu X, et al. Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall.Nature. 2012;484:381-385. DOI10.1038/nature11028Sahel JA, et al. Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy.Nature Medicine. 2021;27:1223-1229. DOI10.1038/s41591-021-01351-4

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