大腦如何調控情緒、行為與機體功能，長期以來都是未解之謎。20世紀，研究人員開始探究大腦那些區域對應那些生理功能，但受限於當時的研究手段，他們無法證明二者之間存在因果關係。那時人們勾勒出的大腦圖景，就像一張草圖，遍佈疑問與未知。
如今，一切正在發生改變。
當地時間10月5日，瑞典卡羅琳醫學院宣佈，將2026年諾貝爾生理學或醫學獎授予卡爾·戴塞洛斯（Karl Deisseroth）、彼得·黑格曼（Peter Hegemann）、格奧爾格·納格爾（Georg Nagel）三位科學家，以表彰他們在光門控離子通道和光遺傳學方面的發現。
據介面新聞報導，公開資料顯示，卡爾·戴塞洛斯是美國史丹佛大學生物工程與精神病學教授。他是美國國家科學院院士，光遺傳學技術主要提出者之一，2021年拉斯克基礎醫學獎得主。
彼得·黑格曼為德國科學家，柏林洪堡大學生物物理學教授。他早在2018年就因對光控離子通道機制的發現獲得了被稱為諾貝爾獎風向標的加拿大蓋爾德納國際獎，此後在2020年獲得邵逸夫獎，2021年獲得拉斯克基礎醫學獎。
格奧爾格·納格爾為德國維爾茨堡大學分子植物生理學教授，光遺傳學領域研究者。他和彼得·黑格曼曾共同獲得邵逸夫獎生命科學與醫學獎，獲獎原為研發徹底改革神經科學發展的光遺傳學技術。
借助光遺傳學，人類得以探明神經細胞如何在活體大腦中塑造記憶、情緒與行為。
衣藻裡藏著“光控開關”
21世紀初，彼得·黑格曼與格奧爾格・納格爾發現了Chlamydomonas（衣藻）——一種位於藻細胞表面、具備獨特特性的藻類蛋白。當藍光照射該蛋白時，蛋白上的通道會打開，帶電離子流入細胞，進而產生電脈衝。他們發現，無論將這種蛋白置於那種細胞內，都能讓該細胞具備感光能力。
卡爾・戴塞洛斯將通道視紫紅質基因匯入大鼠神經細胞。用藍光照射這些細胞，即可觸發神經訊號。他在2005年發表了這項突破性成果。兩年後，這套神經細胞光控開關在活體小鼠的大腦中成功實現。
這種利用光調控神經訊號的技術，如今被命名為光遺傳學，並迅速在全球產生深遠影響。
借助光遺傳學，研究者得以解析調控特定記憶、情緒和行為的神經環路，這些環路與神經及精神疾病密切相關。在臨床醫學領域，科研人員正嘗試利用該技術幫助視力受損人群重獲視覺。
科學家們曾夢想利用神經細胞的開關。圖片來源：諾貝爾獎官網
光遺傳學從根本上重塑了人類對大腦的認知。新發現層出不窮，助力人類破解重大謎題之一：我們精妙的大腦究竟如何工作。
彼得·黑格曼使用微型電極，測量光線照射眼點時 Chlamydomonas（衣藻）產生的電訊號。藻類的反應速度驚人：光線抵達眼點僅0.5毫秒後，電脈衝便隨之產生。
對於這種超快速響應，彼得·黑格曼只想到一種解釋：Chlamydomonas（衣藻）體內的這套機制，遠比人眼的光反應通路簡單。20世紀90年代初，他提出假說：存在單一蛋白複合體，既能捕獲光線，又可以充當離子通道。但他的猜想在當時飽受質疑。彼時研究者已經發現很多種類的離子通道，但沒有任何一種能夠單獨對光產生響應。
為驗證假說，彼得·黑格曼嘗試分離 Chlamydomonas（衣藻）的感光蛋白。但這件事說起來容易做起來難。一旦眼點中的蛋白脫離原生環境，就會變得不穩定、極易受損，很難開展研究。不過在世紀之交，歷經多年挫折後，研究團隊迎來了一條重要線索：日本科研人員完成了 Chlamydomonas（衣藻）的DNA測序，公開了數千個基因的遺傳編碼。彼得·黑格曼團隊從中找到兩個基因，它們和已知捕光蛋白基因高度同源。這兩個基因裡，會不會就藏著他們苦苦尋找的蛋白編碼？
為解開這個疑問，彼得·黑格曼聯絡了一位同行：法蘭克福馬克斯・普朗克生物物理研究所的格奧爾格・納格爾。他掌握關鍵技術，能夠推進這一即將徹底變革神經科學的決定性實驗。
一束藍光即可觸發神經訊號
格奧爾格・納格爾使用蛙卵開展蛋白研究。收到兩組 Chlamydomonas（衣藻）基因後，他將兩組基因分別注入不同批次蛙卵，蛙卵隨即大量合成這兩種未知蛋白。這些蛋白最終定位在卵細胞膜表面。格奧爾格・納格爾開始研究它們的功能，並很快證實：彼得·黑格曼在十年前提出的假說成立——新發現的這些蛋白，正是遇光即可打開的離子通道。
這類蛋白被命名為channelrhodopsin-1（1型通道視紫紅質）與 channelrhodopsin-2（2型通道視紫紅質）。
納格爾與黑格曼將衣藻基因注入蛙卵後，蛙卵開始合成離子通道蛋白，並分佈在卵細胞膜表面。研究人員對離子通道進行光照，通道便會打開，離子順著通道流動，進而產生電訊號。圖片來源：諾貝爾獎官網
和彼得·黑格曼的實驗結果一致，格奧爾格・納格爾對 channelrhodopsin-2（2 型通道視紫紅質）的表徵實驗顯示：它對光脈衝的響應極強，而且極其迅速。藍光照射蛙卵細胞後，0.2毫秒內細胞膜上的通道打開，帶正電的離子流過通道，產生電訊號。
彼得·黑格曼與格奧爾格·納格爾意識到，他們取得了一項顛覆性發現。他們嘗試將 channelrhodopsin-2（2型通道視紫紅質）基因匯入人類胚胎腎細胞與倉鼠腎細胞。這些細胞獲得感光能力：受到光照就會產生電訊號。
2003年，彼得·黑格曼與格奧爾格·納格爾發表實驗成果。他們提出，channelrhodopsin-2（2型通道視紫紅質）可以作為強大工具，利用光線在細胞內生成電脈衝。在此之後，史丹佛大學一位年輕科學家接過了研究接力棒。
大腦為何產生不同情緒與行為
20世紀90年代，卡爾・戴塞洛斯剛開始學醫時，原本打算成為神經外科醫生。但他有一段培訓經歷是在精神科診所完成。
在那裡，他目睹患者承受的巨大痛苦與求助渴望。與此同時，他開始思考：為什麼不同人的大腦，運作方式會截然不同？抑鬱症患者為何很難感受到愉悅？自閉症、精神分裂症妄想症狀的成因是什麼？
在攻讀醫學學位的同時，他取得神經科學博士學位。在實驗室裡，他使用培養皿中的腦薄片開展研究。這項研究產出不少重要認知，但他意識到：想要理解在臨床見到的各類疾病，必須研究神經細胞在活體大腦中的工作狀態。
卡爾・戴塞洛斯組建自己的研究團隊後，開始尋找能夠觸發神經細胞電脈衝的蛋白。團隊測試了大量候選蛋白。當卡爾・戴塞洛斯聽說channelrhodopsin-2（2型通道視紫紅質）的發現後，寫信聯絡格奧爾格・納格爾，希望獲取編碼該蛋白的DNA。
DNA送達卡爾・戴塞洛斯實驗室後，他將其匯入培養皿中體外培養的大鼠神經細胞。他擔心脆弱的神經細胞會受到外源基因的不良影響，但細胞順利合成了 channelrhodopsin-2（2型通道視紫紅質），沒有出現明顯異常。研究團隊用藍光照射這些神經細胞，細胞立刻產生反應：光線觸發神經訊號，並可以傳遞給其他神經細胞。
戴塞洛斯將編碼光敏感通道蛋白2的基因匯入培養皿中的神經細胞，讓神經細胞具備感光能力。研究人員借助藍光，即可快速觸發電神經訊號。圖片來源：諾貝爾獎官網
2005年，卡爾・戴塞洛斯團隊發表這項發現。他們實現了一個決定性里程碑，但卡爾・戴塞洛斯清楚，距離最終目標還有很長的路要走——在活體動物體內調控神經細胞活動。
卡爾・戴塞洛斯隨後開啟多項合作，包括與彼得·黑格曼、格奧爾格·納格爾合作。他也向其他科研人員分享這項成果，大家都意識到這項技術蘊藏巨大潛力。以卡爾・戴塞洛斯的實驗室為先鋒，研究者很快找到更多可開啟、關閉神經細胞、響應不同波長光線的蛋白。
2006年，這項全新技術被命名為optogenetics（光遺傳學）。一年之後，卡爾・戴塞洛斯成功啟動活體小鼠大腦內的神經細胞。研究團隊把 channelrhodopsin-2（2型通道視紫紅質）基因匯入運動皮層的特定神經細胞 —— 運動皮層是大腦負責控制運動的區域。科研人員在小鼠顱骨鑽一個小孔，將細光纖伸入大腦，照射神經細胞。借此，他們可以控制小鼠鬍鬚的運動。
同年，卡爾・戴塞洛斯聯合其他研究者，利用光遺傳學可控喚醒處於睡眠狀態的小鼠。
得益於 optogenetics（光遺傳學），研究者如今能夠在錯綜複雜的神經束中，精準找到控制不同腦功能的神經細胞。例如，科學家已經定位出調控痛覺、社會行為、渴感、進食、獎賞與注意力的神經環路。
光遺傳學還可以用來繪製大腦以外的神經系統與細胞功能圖譜。卡爾・戴塞洛斯證實心率會影響情緒：當心臟負荷被迫增加，焦慮情緒會隨之增強。
光遺傳學開始進入治療階段
依託光遺傳學獲得的認知，全新治療手段有望獲得新的發展。這項技術加深了人類對抑鬱症、焦慮症、精神分裂症、阿爾茨海默病、帕金森病等神經與精神疾病特徵的理解。
科研人員也邁出了將光遺傳學用於臨床治療的第一步。多項正在開展的臨床試驗，嘗試幫助因視網膜色素變性失明的患者恢復視力，這種疾病會破壞視網膜視桿細胞與視錐細胞。
研究人員將類似 channelrhodopsin（通道視紫紅質）的蛋白匯入失明患者視網膜後，患者恢復了部分視覺；佩戴特製發光眼鏡，患者能夠分辨並拿起桌面上的物體。
學界也期待光遺傳學可以最佳化人工耳蝸。當前人工耳蝸依靠電刺激聽覺神經，如果改用光遺傳學技術，耳蝸裝置或將更加精準地啟動聽覺神經。 (每日經濟新聞)