多年来，科学家通过深入研究，逐步拼凑出大脑与脊髓中各类特化细胞的功能图谱。通过研究大脑发育过程，他们得以识别出在不同神经元群体中活跃的基因，以及这些神经元在大脑中的分布位置。在某些情况下，科学家利用这些基因对特定神经元进行基因敲除，从而推测这些神经元可能承担的功能，这也是在研究脑损伤区域基础上的进一步延伸。
然而，这种方法存在局限性。大脑具有足够的灵活性，可能会适应部分细胞的缺失，而且在发育早期缺失某些神经元，可能会改变原本与之形成连接的其他神经元的发育过程。相比之下，如果能够在结构完整的大脑中直接激活或关闭特定神经元，将能获得更有价值的信息。
今天揭晓的诺贝尔生理学或医学奖授予了三位科学家——卡尔·戴塞罗斯、彼得·黑格曼和格奥尔格·纳格尔，以表彰他们开发出了实现这一目标的技术。从研究对光线具有趋向性的单细胞藻类开始，这些研究者以及众多其他科学家共同建立起了一个全新的研究领域，如今我们称之为光遗传学：利用光来改变由特定基因标记的神经细胞的活动方式。
从藻类到人类细胞
神经冲动由一类被称为离子通道的蛋白质产生，这些蛋白质位于细胞膜上，允许带电原子穿越膜结构。神经系统所使用的离子通道群体只有在特定条件下才会被激活，比如感知到神经递质或经历电压变化时。正是这种精细的调控机制，使得特化的神经细胞只在特定情况下才会发送冲动，从而避免大脑陷入电信号噪声的混乱状态。
因此，如果我们想弄清楚众多特化神经细胞中的某一类究竟在做什么，最简单的方法就是“劫持”这套系统：在我们下达指令时强迫细胞发送基于离子的冲动，并观察动物行为会发生怎样的变化。
诺贝尔委员会指出，这个想法显而易见，以至于在光遗传学出现之前，人们已经尝试过多种类似方法。但事实证明，“最简单的方法”并不意味着“容易实现”，这些方法大多未能被广泛采用，原因在于它们往往需要插入多个基因、为神经细胞提供某些特定化学物质，或使用强度足以对细胞造成物理损伤的激光。
最终的解决方案，出人意料地隐藏在一种名为莱茵衣藻的单细胞藻类中。这种生物的单个细胞结构异常复杂，拥有两条帮助其移动的鞭毛，以及一个能够探测其游向光源的眼点。长期以来，人们一直将这种生物作为研究基础生物学过程的模式生物。
正是在这里，当时任职于柏林洪堡大学的黑格曼登场了。他与同事成功将电极连接到莱茵衣藻上，并证明给予其一次闪光照射会导致离子迅速内流，这表明光线触发了某个离子通道的开启。与此同时，其他科学家开始对莱茵衣藻产生的信使RNA进行扫描，黑格曼发现了几个与某种古细菌中光激活离子泵相似的基因。
黑格曼怀疑这些基因可能正是莱茵衣藻离子流动的幕后推手，于是他利用RNA干扰技术抑制这些基因的活性。结果显示，这确实限制了细胞对光线反应中的离子流动，从而明确将这些基因与该生物的光感知功能联系起来。
此后，黑格曼与当时任职于维尔茨堡大学、专攻离子流动研究的纳格尔展开了长期合作。他们发现，其中一个基因编码的蛋白质只允许质子（可以理解为氢离子）进入细胞，而另一个则允许多种带正电荷的离子通过。这两种蛋白质对不同波长的光也表现出不同的敏感性。此外，这些蛋白质与我们眼睛中的感光受体类似，也使用维生素A的一种化学关联物来感知光线。这一类蛋白质现在被统称为“通道视紫红质”。
纳格尔在推广通道视紫红质的应用方面发挥了关键作用，他证明编码这些蛋白质的基因几乎可以在任何细胞中发挥作用，从发育中的青蛙胚胎到培养的人类细胞皆可适用。此后，他进一步证明，当这些基因在一种名为秀丽隐杆线虫的小型蠕虫神经元中表达并被激活时，用光照射这些蠕虫能够改变它们的行为。
点亮大脑
随后，戴塞罗斯及其在斯坦福大学的团队在将这项技术发展为一种广泛适用的工具方面发挥了关键作用。他们证明通道视紫红质能够在神经元中正常工作，并且其触发的离子流动能够以神经冲动的形式传导。他们还发现了更多通道视紫红质家族成员，其中一些对不同波长的光敏感。此外，他们还发现了一种能够让带负电荷的氯离子进入细胞的变体，使研究人员能够选择性地关闭神经细胞的活动。
与此同时，戴塞罗斯及其团队也在工程技术层面展开攻关，开发出紧凑型光源以及细小而柔韧的光纤，使这套系统能够在可以自由活动、行为相对正常的动物大脑中发挥作用。
这项技术的问世，为我们理解不同神经细胞群体的功能带来了一场彻底的革命。只要我们知道某个基因在某一小群神经细胞中处于活跃状态，就可以利用对应基因的小鼠版本在这些细胞中激活通道视紫红质，进而通过光照来测试小鼠行为的变化。
我们此前已多次报道过依赖光遗传学技术的研究成果。诺贝尔委员会也列举了这项技术的诸多应用，从揭示记忆存储机制，到探明唤醒小鼠睡眠的信号。委员会提到的一组令人惊叹的实验中，一支研究团队聚焦于大脑中已知与母性照护行为相关的区域，发现其中包含多种具有特定功能的细胞，这些功能包括促使母鼠寻找幼崽，或调控与幼崽之间的身体互动等等。
通道视紫红质技术甚至已被用于帮助一名因视杆细胞和视锥细胞退化而失明的患者恢复有限的光感知能力。
这项技术意义重大的一个明显标志，便是光遗传学已被广泛采用。尽管此次获奖的三位科学家对该技术的发展做出了关键贡献，但他们本身对该技术实际应用的贡献相对有限。相反，我们所看到的大量依赖光遗传学的研究，主要是由其他认识到这项技术价值、并对其不断完善和拓展的科学家们完成的。
对美国而言，这一奖项的颁发也恰逢其时。当前美国政府一直在推动削减基础研究经费，并将资金转向人工智能、量子计算等应用领域的优先事项。很难想象还有比“这种池塘藻类是如何移动以确保获得足够光照进行光合作用”更基础的科学问题了。而这正是那种在提出之初完全看不出会有任何实际应用价值的问题。
但科学的故事一次又一次地证明：看似微不足道的研究，最终往往能够彻底改变整个研究领域，并对人类健康和技术发展产生深远影响。诺贝尔奖委员会此次对一项重大突破的表彰，也在无意中为我们重新讲述了这个道理。
Q&A
Q1：光遗传学技术是谁发明的？
A：2025年诺贝尔生理学或医学奖授予了卡尔·戴塞罗斯、彼得·黑格曼和格奥尔格·纳格尔三位科学家，以表彰他们在光遗传学领域的开创性贡献。
Q2：光遗传学技术是如何工作的？
A：该技术利用一类名为通道视紫红质的蛋白质，这类蛋白质最初发现于单细胞藻类中，能够在光照下让特定离子进入细胞，从而产生神经冲动，使科学家可以用光来精确激活或关闭特定的神经细胞。
Q3：光遗传学技术有哪些实际应用？
A：这项技术已被广泛用于神经科学研究，比如揭示记忆存储机制、探究睡眠唤醒信号、解析母性照护行为的神经基础等，甚至已被用于帮助某些失明患者恢复有限的光感知能力。
