（来源：每日经济新闻）
大脑如何调控情绪、行为与机体功能，长期以来都是未解之谜。20世纪，研究人员开始探究大脑哪些区域对应哪些生理功能，但受限于当时的研究手段，他们无法证明二者之间存在因果关系。那时人们勾勒出的大脑图景，就像一张草图，遍布疑问与未知。
如今，一切正在发生改变。
当地时间10月5日，瑞典卡罗琳医学院宣布，将2026年诺贝尔生理学或医学奖授予卡尔·戴塞洛斯（Karl Deisseroth）、彼得·黑格曼（Peter Hegemann）、格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel）三位科学家，以表彰他们在光门控离子通道和光遗传学方面的发现。
借助光遗传学，人类得以探明神经细胞如何在活体大脑中塑造记忆、情绪与行为。
卡尔·戴塞洛斯（左）、彼得·黑格曼（中）、格奥尔格·纳格尔（右） 图片来源：诺贝尔奖官网
衣藻里藏着“光控开关”
21世纪初，彼得·黑格曼与格奥尔格・纳格尔发现了Chlamydomonas（衣藻）——一种位于藻细胞表面、具备独特特性的藻类蛋白。当蓝光照射该蛋白时，蛋白上的通道会打开，带电离子流入细胞，进而产生电脉冲。他们发现，无论将这种蛋白置于哪种细胞内，都能让该细胞具备感光能力。
卡尔・戴塞洛斯将通道视紫红质基因导入大鼠神经细胞。用蓝光照射这些细胞，即可触发神经信号。他在2005年发表了这项突破性成果。两年后，这套神经细胞光控开关在活体小鼠的大脑中成功实现。
这种利用光调控神经信号的技术，如今被命名为光遗传学，并迅速在全球产生深远影响。
借助光遗传学，研究者得以解析调控特定记忆、情绪和行为的神经环路，这些环路与神经及精神疾病密切相关。在临床医学领域，科研人员正尝试利用该技术帮助视力受损人群重获视觉。
科学家们曾梦想利用神经细胞的开关。图片来源：诺贝尔奖官网
光遗传学从根本上重塑了人类对大脑的认知。新发现层出不穷，助力人类破解重大谜题之一：我们精妙的大脑究竟如何工作。
彼得·黑格曼使用微型电极，测量光线照射眼点时 Chlamydomonas（衣藻）产生的电信号。藻类的反应速度惊人：光线抵达眼点仅0.5毫秒后，电脉冲便随之产生。
对于这种超快速响应，彼得·黑格曼只想到一种解释：Chlamydomonas（衣藻）体内的这套机制，远比人眼的光反应通路简单。20世纪90年代初，他提出假说：存在单一蛋白复合体，既能捕获光线，又可以充当离子通道。但他的猜想在当时饱受质疑。彼时研究者已经发现很多种类的离子通道，但没有任何一种能够单独对光产生响应。
为验证假说，彼得·黑格曼尝试分离 Chlamydomonas（衣藻）的感光蛋白。但这件事说起来容易做起来难。一旦眼点中的蛋白脱离原生环境，就会变得不稳定、极易受损，很难开展研究。不过在世纪之交，历经多年挫折后，研究团队迎来了一条重要线索：日本科研人员完成了 Chlamydomonas（衣藻）的DNA测序，公开了数千个基因的遗传编码。彼得·黑格曼团队从中找到两个基因，它们和已知捕光蛋白基因高度同源。这两个基因里，会不会就藏着他们苦苦寻找的蛋白编码？
为解开这个疑问，彼得·黑格曼联系了一位同行：法兰克福马克斯・普朗克生物物理研究所的格奥尔格・纳格尔。他掌握关键技术，能够推进这一即将彻底变革神经科学的决定性实验。
一束蓝光即可触发神经信号
格奥尔格・纳格尔使用蛙卵开展蛋白研究。收到两组 Chlamydomonas（衣藻）基因后，他将两组基因分别注入不同批次蛙卵，蛙卵随即大量合成这两种未知蛋白。这些蛋白最终定位在卵细胞膜表面。格奥尔格・纳格尔开始研究它们的功能，并很快证实：彼得·黑格曼在十年前提出的假说成立——新发现的这些蛋白，正是遇光即可打开的离子通道。
这类蛋白被命名为channelrhodopsin-1（1型通道视紫红质）与 channelrhodopsin-2（2型通道视紫红质）。
纳格尔与黑格曼将衣藻基因注入蛙卵后，蛙卵开始合成离子通道蛋白，并分布在卵细胞膜表面。研究人员对离子通道进行光照，通道便会打开，离子顺着通道流动，进而产生电信号。图片来源：诺贝尔奖官网
和彼得·黑格曼的实验结果一致，格奥尔格・纳格尔对 channelrhodopsin-2（2 型通道视紫红质）的表征实验显示：它对光脉冲的响应极强，而且极其迅速。蓝光照射蛙卵细胞后，0.2毫秒内细胞膜上的通道打开，带正电的离子流过通道，产生电信号。
彼得·黑格曼与格奥尔格·纳格尔意识到，他们取得了一项颠覆性发现。他们尝试将 channelrhodopsin-2（2型通道视紫红质）基因导入人类胚胎肾细胞与仓鼠肾细胞。这些细胞获得感光能力：受到光照就会产生电信号。
2003年，彼得·黑格曼与格奥尔格·纳格尔发表实验成果。他们提出，channelrhodopsin-2（2型通道视紫红质）可以作为强大工具，利用光线在细胞内生成电脉冲。在此之后，斯坦福大学一位年轻科学家接过了研究接力棒。
大脑为何产生不同情绪与行为
20世纪90年代，卡尔・戴塞洛斯刚开始学医时，原本打算成为神经外科医生。但他有一段培训经历是在精神科诊所完成。
在那里，他目睹患者承受的巨大痛苦与求助渴望。与此同时，他开始思考：为什么不同人的大脑，运作方式会截然不同？抑郁症患者为何很难感受到愉悦？自闭症、精神分裂症妄想症状的成因是什么？
在攻读医学学位的同时，他取得神经科学博士学位。在实验室里，他使用培养皿中的脑薄片开展研究。这项研究产出不少重要认知，但他意识到：想要理解在临床见到的各类疾病，必须研究神经细胞在活体大脑中的工作状态。
卡尔・戴塞洛斯组建自己的研究团队后，开始寻找能够触发神经细胞电脉冲的蛋白。团队测试了大量候选蛋白。当卡尔・戴塞洛斯听说channelrhodopsin-2（2型通道视紫红质）的发现后，写信联系格奥尔格・纳格尔，希望获取编码该蛋白的DNA。
DNA送达卡尔・戴塞洛斯实验室后，他将其导入培养皿中体外培养的大鼠神经细胞。他担心脆弱的神经细胞会受到外源基因的不良影响，但细胞顺利合成了 channelrhodopsin-2（2型通道视紫红质），没有出现明显异常。研究团队用蓝光照射这些神经细胞，细胞立刻产生反应：光线触发神经信号，并可以传递给其他神经细胞。
戴塞洛斯将编码光敏感通道蛋白2的基因导入培养皿中的神经细胞，让神经细胞具备感光能力。研究人员借助蓝光，即可快速触发电神经信号。图片来源：诺贝尔奖官网
2005年，卡尔・戴塞洛斯团队发表这项发现。他们实现了一个决定性里程碑，但卡尔・戴塞洛斯清楚，距离最终目标还有很长的路要走——在活体动物体内调控神经细胞活动。
卡尔・戴塞洛斯随后开启多项合作，包括与彼得·黑格曼、格奥尔格·纳格尔合作。他也向其他科研人员分享这项成果，大家都意识到这项技术蕴藏巨大潜力。以卡尔・戴塞洛斯的实验室为先锋，研究者很快找到更多可开启、关闭神经细胞、响应不同波长光线的蛋白。
2006年，这项全新技术被命名为optogenetics（光遗传学）。一年之后，卡尔・戴塞洛斯成功激活活体小鼠大脑内的神经细胞。研究团队把 channelrhodopsin-2（2型通道视紫红质）基因导入运动皮层的特定神经细胞 —— 运动皮层是大脑负责控制运动的区域。科研人员在小鼠颅骨钻一个小孔，将细光纤伸入大脑，照射神经细胞。借此，他们可以控制小鼠胡须的运动。
同年，卡尔・戴塞洛斯联合其他研究者，利用光遗传学可控唤醒处于睡眠状态的小鼠。
得益于 optogenetics（光遗传学），研究者如今能够在错综复杂的神经束中，精准找到控制不同脑功能的神经细胞。例如，科学家已经定位出调控痛觉、社会行为、渴感、进食、奖赏与注意力的神经环路。
光遗传学还可以用来绘制大脑以外的神经系统与细胞功能图谱。卡尔・戴塞洛斯证实心率会影响情绪：当心脏负荷被迫增加，焦虑情绪会随之增强。
光遗传学开始进入治疗阶段
依托光遗传学获得的认知，全新治疗手段有望获得新的发展。这项技术加深了人类对抑郁症、焦虑症、精神分裂症、阿尔茨海默病、帕金森病等神经与精神疾病特征的理解。
科研人员也迈出了将光遗传学用于临床治疗的第一步。多项正在开展的临床试验，尝试帮助因视网膜色素变性失明的患者恢复视力，这种疾病会破坏视网膜视杆细胞与视锥细胞。
研究人员将类似 channelrhodopsin（通道视紫红质）的蛋白导入失明患者视网膜后，患者恢复了部分视觉；佩戴特制发光眼镜，患者能够分辨并拿起桌面上的物体。
学界也期待光遗传学可以优化人工耳蜗。当前人工耳蜗依靠电刺激听觉神经，如果改用光遗传学技术，耳蜗设备或将更加精准地激活听觉神经。
