中青报·中青网记者 杨洁

　　大脑如何控制感觉、行为和身体功能，长期以来一直是个谜。20世纪，研究人员开始探究大脑的不同功能分别由哪些区域负责，但受方法所限，无法证明其中的因果关系。他们心中的大脑图像，就像一张布满问号的素描线稿。

　　现在，这一切都在改变。北京时间10月5日，记者从诺贝尔奖官网获悉，2026年诺贝尔生理学或医学奖授予卡尔·戴塞罗思（Karl Deisseroth）、彼得·黑格曼（Peter Hegemann）和格奥尔格·内格尔（Georg Nagel），以表彰他们在光控离子通道和光遗传学方面的发现。

　　诺贝尔生理学或医学奖委员会主席佩尔·斯文宁松（Per Svenningsson）说："光遗传学让我们得以用只能在梦里设想的方式，绘制大脑的地图。"

2026年诺贝尔生理学或医学奖。图片来自诺贝尔奖官网

　　始于一位研究人员的好奇心

　　"对我来说，我自己的大脑是最无法解释的机器——它总是嗡嗡作响、低吟、翱翔、咆哮、俯冲，然后埋入泥泞。为什么？这种热情是为了什么？"1932年，弗吉尼亚·伍尔夫在给朋友的信中写道。

　　这个仅重约1.3公斤的器官，怎么能装得下童年的记忆、白日梦和创造力？怎么会产生快乐、爱和嫉妒？又如何控制心跳、呼吸和睡眠的节律？

　　过去几十年里，研究人员成功确定了大脑的哪些区域控制着各种生理功能，但当时的方法相对迟钝，无法证明特定类型的神经细胞直接导致了某种感觉或行为，得到的大脑图像仍像一张看不清细节的草图。

　　弗朗西斯·克里克（Francis Crick，1962年诺贝尔奖得主）是梦想拥有更精确工具的人之一。他设想在活的大脑中激活单个神经细胞，但神经细胞中的信号传递极为迅速——为了匹配这一速度，他得出结论：使用光可能是理想的选择。如果分子生物学家能让神经细胞对光做出反应，也许就能控制神经活动。克里克承认，这个想法听起来很牵强，但也许并非无法实现。

　　游泳藻类如何感知光线

　　20世纪90年代初，彼得·黑格曼提出了一个简单的问题：单细胞的衣藻对光的反应怎么会如此之快？衣藻以向光游动而闻名。黑格曼研究了藻类的眼斑，用微小的电极测量眼斑被照亮时产生的电信号：光线到达后仅半毫秒，电脉冲就出现了——比当时已知的人眼等生物系统的反应速度快二十多倍。

　　黑格曼只能想到一种解释：衣藻对光的反应过程比人眼简单得多。他由此提出假设：存在一个蛋白质复合物，既能捕捉光，本身又是离子通道。这一假设当时遭到怀疑，因为已知的离子通道没有一个能自行对光产生反应。

　　为验证假设，他试图分离衣藻的光敏蛋白，但这些蛋白一旦离开眼斑就变得不稳定，难以研究。千禧年之交，转机出现：日本研究人员绘制了衣藻的DNA图谱，破解了数千个基因的密码。黑格曼小组从中找到了两个与已知捕光蛋白基因高度相似的基因。它们之中，有没有自己要找的蛋白？为此，黑格曼联系了法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所的格奥尔格·内格尔。

　　一种非凡的蛋白质被发现

　　内格尔将两个基因的副本分别注入不同批次的青蛙卵，卵随即开始大量合成两种未知蛋白质，这些蛋白质分布在卵细胞表面的膜中。内格尔很快证实了黑格曼十年前的假设：新发现的蛋白质是光照下打开的离子通道，它们被命名为channelrhodopsin-1和channelrhodopsin-2（通道视紫红质）。

　　内格尔与黑格曼将衣藻基因导入蛙卵后，蛙卵开始合成离子通道蛋白，这些蛋白最终分布在卵的表面。研究人员用光照射离子通道时，通道就会打开。离子随即穿过通道，产生电信号。图片来自诺贝尔奖官网

　　channelrhodopsin-2对光脉冲的反应异常强烈而快速：通道在0.2毫秒内打开，带正电荷的离子涌入，产生电信号。两人意识到这是革命性的发现。他们把channelrhodopsin-2基因导入人类胚胎肾细胞和仓鼠肾细胞，细胞果然变得对光敏感，一照光就产生电信号。早在2003年，两人就发表了研究结果，提出channelrhodopsin-2可以作为强大的工具，利用光在细胞中触发电脉冲。

　　斯坦福大学一位年轻科学家——卡尔·戴塞罗思，接过了接力棒。20世纪90年代，戴塞罗思开始学医，本想成为神经外科医生，部分培训却在精神病诊所完成。病人的痛苦深深触动了他：为什么抑郁症患者难以感到快乐？自闭症和精神分裂症患者的妄想从何而来？他一边学医，一边拿下了神经科学博士学位，但他明白，要理解这些疾病，必须研究神经细胞在活体大脑中的运作。

　　听说channelrhodopsin-2的发现后，戴塞罗思写信给内格尔，索要编码该蛋白的DNA。DNA寄到后，他将其导入培养皿中的大鼠神经细胞。他担心娇嫩的细胞承受不住外源基因，但细胞毫无异常地产生了channelrhodopsin-2；蓝光一照，细胞立即反应，激发出的神经信号还能传给其他细胞。2005年，戴塞罗思小组发表了这一成果——在培养皿中用光精确触发神经信号，一个决定性的里程碑就此达成。2006年，这种方法被命名为光遗传学。

　　一年后，戴塞罗思成功激活了活体小鼠大脑中的神经细胞：研究小组把channelrhodopsin-2基因导入运动皮层（大脑中控制运动的区域）的特定神经细胞，再用一根经颅骨小孔伸入大脑的细光纤照亮细胞，从而控制了小鼠胡须的移动。同年，他还与其他团队合作，用光遗传学唤醒了沉睡的小鼠——将channelrhodopsin-2导入疑似控制清醒的神经细胞，光一亮，小鼠便醒了过来。

　　戴塞罗思的研究团队将channelrhodopsin-2基因导入活小鼠的大脑。随后，他们把一根细光纤植入小鼠脑内。当通过光纤照射神经细胞时，就会触发神经信号，引发小鼠胡须抽动。图片来自诺贝尔奖官网

　　2012年，光遗传学起步阶段的另一项著名成果发表。戴塞罗思与利根川进（Susumu Tonegawa，1987年因免疫学发现获诺贝尔奖）合作，成功激活了记忆印迹——记忆形成时建立的特定神经通路模式。研究者观察到小鼠经历恐惧时哪些神经细胞形成了对这段经历的记忆，随后重新激活这些细胞，小鼠虽身处安全环境，仍表现出恐惧。这是首次精确证明，存储特定记忆需要哪些神经细胞。

　　光遗传学从根本上改变了人类对大脑的理解：它能揭示复杂的神经网络中哪些神经细胞控制着不同的大脑功能，阐释神经系统如何与心脏、肠道等部位的各种细胞相互作用，也加深了人类对抑郁症、焦虑症、精神分裂症、阿尔茨海默病和帕金森病等精神和神经系统疾病的认识。

　　在正在进行的临床试验中，研究人员尝试为因视网膜色素变性（一种破坏视杆细胞和视锥细胞的疾病）而失明的患者恢复视力：在一位盲人的视网膜中植入一种类channelrhodopsin蛋白后，患者恢复了部分视力，借助能发射光线的特制眼镜，已能辨认并抓取桌面上的物体。光遗传学用于改进人工耳蜗，同样值得期待。

　　诺贝尔奖官网如此评价：他们的发现带来了一个极其强大的工具，改变了神经科学。光遗传学正在继续揭开人类最大的谜团之一——大脑是如何工作的。