你相信光吗？诺贝尔奖：我相信！

2026年诺贝尔生理学或医学奖得主（图片来源：诺贝尔奖官网）

简单来说，他们的发现为大脑装上了“光控开关”，科学家得以在活体大脑中研究记忆、情绪和神经调节等大脑功能。

你可能会想：“不就是给神经系统装了个开关吗，有什么很重大的价值吗？”别急，听了课代表的讲述，你就会知道，这个开关可太了不起了。

神经生物学家：你相信光吗？

回想一下你人生中第一次拿到自己的手机的场景。这里戳戳，那里按按，通过对操控和结果的感知，你很快就了解了手机的各项功能，不出一个星期，你就已经很上手了。

现在，想象你需要研究人类的大脑。大脑和手机最大的不同，就是它没有按钮和显示屏。你看不见里面错综复杂的线路，也找不到明确的开机键或音量键。

比如你想测试某个神经细胞的功能，想要单独激活它来观察它的反应，你会想到什么办法呢？

下药？药物会扩散到整个大脑，不会精准刺激某一类（甚至某一只）细胞。电刺激？电极只能刺激电极附近的细胞，而且无法区分不同类型的神经细胞。

于是，科学家只能退而求其次，把要研究的神经细胞“切”出来，单独进行研究。这样一来，研究结果虽然精确，却脱离了大脑的真实环境，就像把手机主板拆下来研究，你根本得不到真实的结果。

其实早在几十年前，人们就意识到光是最理想的调控手段。光的主要优势有如下几点：

首先，光的速度极快，光信号可以实现快速开关（想象操作一盏灯），能够以毫秒级的时间精度操控神经活动；

其二，光可以精准聚焦于单个细胞甚至单个细胞器，也就是所谓的“指哪打哪”，想研究哪个细胞就研究哪个细胞；

最后也是最重要的是，光本身对生物组织几乎无损伤，不会干扰细胞的正常生理状态，因此可以在不破坏活体环境的前提下，精确操控神经细胞。

科学家想象用光开关操纵神经细胞（图片来源：诺贝尔奖官网）

能看见，却又看不太见

为了实现“光”的梦想，有些科学家将目光锁定在一种特殊的生物：衣藻。

衣藻是一种单细胞生活的绿藻，它的特点是有一只“眼睛”，学名叫作眼点。这是一个由光敏感蛋白构成的感光结构，能帮助衣藻感知光线强弱，从而调整游动方向。

此次诺奖得主之一、我们故事的第一位主人公——彼得·黑格曼（Peter Hegemann）就此登场了。他在博士毕业后加入了肯尼思·福斯特（Kenneth Foster）实验室，研究的就是衣藻的眼点到底是如何感知光线的。

彼得·黑格曼

他意识到，光一定是转化成了某种细胞可以感受的信号。最容易想到的信号是某些激素，但问题在于，他尝试了许多可能的激素类型，也没有找到能够被光激活的激素。

不是激素这种化学信号，难道是某种物理信号？细胞能感受到的物理信号，最常见的就是电信号了。于是，他设计了一种巧妙的方法，能检测到衣藻被光照射后的电流变化。

果然，他捕捉到了仅仅几微秒的微电流，而且每次照光都能稳定复现。于是，他确认衣藻的视蛋白能够以某种方式引起电流。

衣藻能利用眼点感知光线，在光源足够强时，它会朝着光源游动（图片来源：译自诺贝尔奖官网）

彼得·黑格曼开始了思考。电流是电荷的运动，而在细胞中最典型的电荷就是氢离子、钠离子、钾离子、钙离子等。

因此，他提出了一个假设：衣藻视蛋白被光激活后能直接让某些离子跨越细胞膜运动，从而产生电流信号。这个假设在当时显得颇为大胆，但他始终认为值得一试。

想要解码某个蛋白的功能，可以克隆它的基因，然后拿到别的生物上试试能不能复刻。当然，在2000年初期，想要克隆一个未知的基因，可不是一件容易的事。

经过不懈的努力，黑格曼终于成功克隆出了衣藻的视蛋白基因，也就是大名鼎鼎的Chop1和Chop2。

基因是有了，但是在其他生物身上表达这个基因，这项工作黑格曼不太擅长。于是，他找到了我们故事的第二位主人公——格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel）。

格奥尔格·纳格尔

把细胞当“乐高”

纳格尔在德国法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所读博时认识了黑格曼。在耶鲁大学和洛克菲勒大学完成博士后训练后，纳格尔返回法兰克福成为独立研究员。

纳格尔有一个爱好，就是喜欢把一种生物的基因拆下来挪到其他生物里去。你很难说他这么做的目的是什么，或许就是喜欢把基因当乐高搭也说不定。

就比如，1995年时他曾把细菌视紫红质蛋白基因拆下来，转移到非洲爪蟾卵母细胞中，验证了前者的光驱动氢离子泵功能。

纳格尔与黑格曼的合作实验验证了ChR2的功能（图片来源：译自诺贝尔奖官网）

你看这不巧了么，黑格曼有两个基因想要转移到别的生物上，纳格尔最擅长把基因转移到别的生物上。于是，两人一拍即合，决定合作。

2002年，他们进行了初步的实验，确认了在其他生物细胞中表达的Chop1基因，在被绿光照射后会形成氢离子电流。这一现象首次为光门控离子通道的存在提供了直接证据，他们也将这种光控离子通道命名为ChR1。

2003年，两位科学家把Chop2基因转移到了非洲爪蟾卵母细胞和人胚肾细胞中。结果发现，Chop2所形成的离子通道（命名为ChR2）也是受光控制的，但与ChR1不同的是，ChR2不只搬运氢离子，而是不加选择地搬运各种阳离子。

光控离子通道的工作原理（图片来源：译自诺贝尔奖官网）

现在我们知道了，ChR1和ChR2是两种受光控制的离子通道，在受到光照时，它们能开启离子流，从而让细胞膜两侧的电位发生变化，进而产生电流。

等等，没记错的话，高中生物课本上学过，神经系统的启动，正是由于刺激导致了细胞内外的电位变化，从而产生动作电位，将神经冲动以电流的形式传递出去。

克里克爷爷，您那个“相当牵强”的用光控制神经的梦想，它不是说来就要来了吗？

即便有了光，也要努力地“被照亮”

故事的第三位主人公——卡尔·戴瑟罗特（Karl Deisseroth）就是那个把梦想变成现实的实干家。

卡尔·戴瑟罗特

戴瑟罗特是一位受过专业训练的精神科医生，当时刚在斯坦福大学建立自己的实验室。他从纳格尔那里获得了ChR2的构建体。

他观察到ChR2表达蛋白对光有响应，并且首次将它安全、稳定地转移到了海马体的神经细胞表面。最关键的是，海马是活的，这说明ChR2蛋白是无毒的。

2005年，戴瑟罗特完成了关键的功能验证：他将ChR2基因导入培养的大鼠海马神经元，使这些神经元表达ChR2。随后只需照射蓝光，就能迅速触发神经元产生电信号，并进一步引发神经信号。

这是人类首次通过光控信号触发精确、毫秒级的神经兴奋。这标志着光控制在神经系统研究领域的一个重要进展。2006年，戴瑟罗特和同事们一起提出了光遗传学（optogenetics）这一名词。

2007年，戴瑟罗特及其同事完成了他们的大师之作。他们开发了一种光学神经接口，将极细的光纤伸入小鼠大脑中，来实现对大脑的特定神经细胞照光。
他们在小鼠的大脑神经细胞中转入了ChR2蛋白，然后用这种特殊的光接口来实现控制大脑。

实验非常成功，科学家向不同的大脑区域照光，就能控制小鼠做出不同的反应，甚至能控制小鼠胡须的运动。

用光纤施加光信号，控制小鼠神经系统（图片来源：译自诺贝尔奖官网）

而且最重要的还是那句话，这整个过程中，小鼠都是活蹦乱跳的。

至此，艺术已成。

这束光，点燃了神经科学的新纪元

光遗传学的大门已经打开，无数神经科学家一瞬间涌了进来。

有了光控，神经科学家能够快速控制神经细胞的活动。通过对特定神经回路进行精确的时间和模式调控，终于能够检验特定回路组件的充分性和必要性，进而建立起神经活动与行为之间明确的因果联系。

例如，2012年，研究人员把光照进了“记忆”。他们在小鼠形成恐惧记忆时，标记了当时活跃的一群神经元。后来，即使小鼠已经身处安全环境，只要用光重新激活这群细胞，小鼠仍然会表现出恐惧反应。

又例如，对下丘脑内分子标记为Esr1+的神经细胞进行光遗传学刺激，可驱动一个强度依赖的行为连续体，从社交互动线性扩展至交配，最终升级为攻击行为。

总之，科学家现在能够将大脑功能定位到特定的细胞或细胞类型上，对大脑的研究进入了模块化和功能化阶段，人们面对的不再是一个黑盒大脑，而是在活体环境下对它进行拆解，这也是光遗传学获得诺奖的最根本原因。

在认知、情感和运动等多个领域，这些发现与应用展现了一场深刻变革。那些曾被视作统一整体来理解的行为，如今可以通过实验分解为独立的计算流。光遗传学能够在完整大脑中实现时间精准、路径特异性的干预，从而彻底改变了神经科学领域的面貌。

结语

课代表小的时候总听人说，21世纪是生物学的世纪。癌症、脑科学等学科，相比20年前，已经是完全不同的研究范式了。

帮助人们实现如此快速迭代的，正是技术开创者们为学界不断引入的科研利器，让我们得以更好地认识生物，认识自己。

这束光，不单单照亮了一根神经，更照亮了人类神经科学的未来之路，它让人类第一次以如此精密的尺度，去审视那片由千亿神经细胞交织而成的思想之海。

属于我们的开拓，才刚刚开始。

作者：牧心，科普作者。