光控神经元的诺贝尔奖技术背后的科学原理
摘要
2026年诺贝尔生理学或医学奖授予Karl Deisseroth、Peter Hegemann和Georg Nagel，以表彰他们在光遗传学（optogenetics）上的开创性发现——利用光精确控制神经元活动，为大脑测绘和神经疾病研究开辟了新途径。
光遗传学彻底改变了神经科学，但它的起源却来自一种完全没有大脑的生物——藻类。
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2026/10/08 12:07
# 诺奖技术背后的科学：用光控制神经元
来源：https://www.wired.com/story/the-science-behind-the-nobel-winning-technology-that-controls-neurons-with-light/
瑞典卡罗林斯卡医学院将 2026 年诺贝尔生理学或医学奖授予了斯坦福大学的 Karl Deisseroth、柏林洪堡大学的 Peter Hegemann 以及维尔茨堡大学的 Georg Nagel 三位研究人员。他们的发现催生了光遗传学（optogenetics）——一种科学家可以用光束开启或关闭单个神经元的技术。
诺贝尔奖委员会医学分会主席 Per Svenningsson 表示："光遗传学为我们探索和绘制大脑图谱提供了前所未有的可能，这在过去是我们只能梦想的。"没有其他技术能如此精确地研究活体大脑（https://www.wired.com/story/light-triggered-genes-reveal-the-hidden-workings-of-memory/），帮助研究人员更好地理解神经系统的工作机制，以及各种神经性疾病和障碍。
然而，这项大奖不仅仅是对神经科学的庆祝。它也有力地证明了不同生物学领域相互交汇时可以取得怎样的成果——因为奠定光遗传学基础的发现，实际上源自微生物学研究。
上世纪末，Peter Hegemann 开始了一系列研究，试图弄清单细胞藻类衣藻（*Chlamydomonas*，链接：https://www.wired.com/story/reflecting-pool-full-of-algae-climate-change/）是如何感知光并对其做出反应的。此前的研究已记录了衣藻表面有一个"眼点"——一个小橙色斑点，其中含有名为视黄醛（retinal）的感光分子（https://www.wired.com/story/the-secret-of-how-cells-make-dark-oxygen-without-light/）。
Hegemann 使用微小的电极测量衣藻产生的电信号，加深了我们对这一结构快速反应能力的理解。他发现，这种生物在受到光照后约 0.5 毫秒内就能产生电脉冲。这一反应时间比人眼快 20 倍——人眼的光检测过程至少需要 10 毫秒。
Hegemann 提出，藻类的光检测过程必然比人眼中发现的机制要简单得多。20 世纪 90 年代初，他推测眼点中含有一种蛋白质，它既能感知光，又会对光作出响应——很可能会像通道一样打开，让离子通过。这一假说在当时引发了争议。在此之前，已有许多离子通道被记录在案，但没有一种能自行对光作出反应。
为了验证自己的理论，这位科学家试图从眼点中分离出感光蛋白。然而，一旦脱离自然环境，这些蛋白质就会变得不稳定。后来，一组日本研究人员完成了衣藻完整 DNA 的测序，这使得 Hegemann 的团队得以识别出两个基因——它们编码的蛋白质具备潜在感光通道的预期特征。
Georg Nagel 完成了验证基因功能的关键一步。他分别将识别出的每个基因的拷贝导入不同的青蛙卵细胞群。这些卵细胞开始产生相应的蛋白质，并最终定位于细胞膜上。Nagel 随后打开光源。
两种蛋白质都表现为在光照下打开的离子通道。他将这些基因命名为 *channelrhodopsin-1* 和 *channelrhodopsin-2*。进一步的实验显示，第二个基因产生的蛋白质（简称 ChR2）开启速度尤其快——离子流动仅需 0.2 毫秒。这解释了最初在衣藻中观察到的惊人光照反应速度。
当研究人员将这一基因导入哺乳动物细胞——这些细胞原本并不对光产生反应——时，细胞在受到光照后产生了电信号。正是这一点让神经科学家们格外兴奋。
离子通道在多种类型的细胞中都很重要，但在我们的神经系统（https://www.wired.com/story/your-next-job-bci-surgeon/）中，它们承担着格外重要的角色。神经元之间以及与人体其他组织进行交流的电脉冲，是通过离子进出细胞的流动来介导的。如果你能控制离子通道，你就能控制神经元。
这就是 Karl Deisseroth 登场的地方。Deisseroth 一直在寻找一种方法，能够在活体大脑（https://www.wired.com/story/this-is-the-first-time-scientists-have-seen-decision-making-in-a-brain/）中开关特定神经细胞的活动。在他看来，这种工具可以加深我们对大脑功能的理解，并为治疗抑郁症和精神分裂症等疾病开辟新的途径。
在 ChR2 被发现之后，他向 Nagel 索要了 DNA 序列，以便将其导入大鼠神经细胞。在培养皿中生长的神经元产生了 ChR2，当受到蓝光照射时立即做出反应——发出电脉冲并传导至其他神经元。这一结果于 2005 年取得，为 ChR2 作为神经科学工具的确立奠定了决定性基础。
在此后的几年里，Deisseroth、Hegemann 和 Nagel 合作识别出了其他蛋白质，能够使用不同波长的光来激活或关闭神经元。有了这套工具，研究人员如今可以设计实验：让一组神经元由一种波长的光激活，而另一组神经元由不同波长的光控制。
"光遗传学（optogenetics）"这一术语于 2006 年提出，此后已被应用于各种研究中。卡罗林斯卡医学院诺贝尔奖评审委员会在一份新闻稿（https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2026/press-release/）中表示："借助光遗传学，研究人员已经能够揭示控制特定记忆、情感（https://www.wired.com/story/scientists-find-a-volume-knob-for-emotional-memories/）以及与神经和精神疾病相关行为的神经回路。在临床医学中，研究人员正在使用这种方法尝试帮助视觉障碍患者恢复视力。"
*本文最初发表于 WIRED en Español（https://es.wired.com/articulos/que-es-la-optogenetica-la-tecnica-que-controla-el-cerebro-con-luz-y-gano-el-nobel-de-medicina-2026），由西班牙语翻译而来。*
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**2026 年诺贝尔生理学或医学奖**授予了 **Karl Deisseroth**、**Peter Hegemann** 和 **Georg Nagel**，以表彰他们在**光遗传学（optogenetics）**领域的开创性贡献。
天使投资人兼科技行业观察者 **Elad Gil** 对此做出了回应。他指出，自 CRISPR 基因编辑技术问世以来，生物学研究似乎一直进展缓慢——尽管 CRISPR 带来了巨大突破，但后续的实验规模与迭代速度始终未能跟上。
Gil 进而推测，真正的变革可能来自 **AI 驱动的闭环自动化（closed-loop automation）**：由人工智能规划实验、机器人自动执行、实时反馈结果并不断修正假设，从而将生物学从"提出假设—人工验证—漫长等待"的线性模式，转变为高速迭代的自动化循环。他认为，这种自动化体系有望让生物学研究的速度追上其在信息科学领域所经历的爆发式增长。
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