大腦如何控制感覺、行為和身體功能，長期以來一直是個謎。20世紀，研究人員開始探究大腦的不同功能分別由哪些區域負責，但受方法所限，無法証明其中的因果關系。他們心中的大腦圖像，就像一張布滿問號的素描線稿。

如今，這一切正在發生改變。北京時間10月5日，瑞典卡羅琳醫學院宣布，將2026年諾貝爾生理學或醫學獎授予美國科學家卡爾·戴塞羅思、德國科學家彼得·黑格曼和格奧爾格·內格爾，以表彰他們在光門控離子通道和光遺傳學方面的發現。

諾貝爾生理學或醫學獎委員會主席佩爾·斯文寧鬆說：“光遺傳學讓我們得以用只能在夢裡設想的方式，繪制大腦的地圖。”

對光敏感的藻類帶來線索

人的大腦，這個僅重約1.3公斤的器官，怎麼能裝得下童年的記憶、白日夢和創造力？怎麼會產生快樂、愛和嫉妒？又如何控制心跳、呼吸和睡眠的節律？

過去的幾十年裡，研究人員成功確定了大腦的哪些區域控制著各種生理功能，但當時的方法相對粗糙，無法証明特定類型的神經細胞直接導致了某種感覺或行為，得到的大腦圖像仍像一張缺少細節的草圖。

弗朗西斯·克裡克（1962年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者）是夢想擁有更精確工具的人之一。他設想在活的大腦中激活單個神經細胞，但神經細胞中的信號傳遞極為迅速——為了匹配這一速度，他得出結論：使用光可能是理想的選擇。如果分子生物學家能讓神經細胞對光做出反應，也許就能控制神經活動。

20世紀90年代初，彼得·黑格曼提出了一個簡單的問題：單細胞的衣藻對光的反應怎麼會如此之快？衣藻以向光游動的特性而聞名。黑格曼研究了藻類的眼點，用微小的電極測量眼點被照亮時產生的電信號：光線到達后僅半毫秒，電脈沖就出現了——比當時已知的人眼等生物系統的反應速度快20多倍。

黑格曼只能想到一種解釋：衣藻對光的反應過程比人眼簡單得多。他由此提出假設：存在一個蛋白質復合物，既能捕捉光，本身又是離子通道。這一假設當時遭到懷疑，因為已知的離子通道沒有一個能自行對光產生反應。

為驗証假設，他試圖分離衣藻的光敏蛋白，但這些蛋白一旦離開眼點就變得不穩定，難以開展研究。千禧年之交，轉機出現：日本研究人員繪制了衣藻的DNA圖譜，公開了數千個基因的密碼。黑格曼小組從中找到了兩個與已知捕光蛋白基因高度相似的基因。它們之中，有沒有自己要找的蛋白？為此，黑格曼聯系了法蘭克福馬克斯·普朗克生物物理研究所的格奧爾格·內格爾。

一種非凡的蛋白質被發現

內格爾將兩個基因的副本分別注入不同批次的青蛙卵，卵隨即開始大量合成兩種未知蛋白質，這些蛋白質分布在卵細胞表面的膜中。內格爾很快証實了黑格曼10年前的假設：新發現的蛋白質正是在光照下即可打開的離子通道，它們被命名為channelrhodopsin-1（1型通道視紫紅質）和channelrhodopsin-2（2型通道視紫紅質）。

channelrhodopsin-2對光脈沖的反應強烈且迅速：通道在0.2毫秒內打開，帶正電荷的離子涌入，產生電信號。他們把該基因導入人類胚胎腎細胞和倉鼠腎細胞，細胞果然變得對光敏感，一照光就產生電信號。2003年，黑格曼與內格爾發表研究結果，提出channelrhodopsin-2可以作為強大的工具，利用光在細胞中觸發電脈沖。

隨后，斯坦福大學的年輕科學家卡爾·戴塞羅思接過了接力棒。他將編碼該蛋白的DNA導入培養皿中的大鼠神經細胞，細胞毫無異常地產生了channelrhodopsin-2﹔藍光一照，細胞立即反應，激發出的神經信號還能傳給其他細胞。2005年，戴塞羅思小組發表了這一成果——在培養皿中用光精確觸發神經信號，一個決定性的裡程碑就此樹立。2006年，這種方法被命名為光遺傳學。

1年后，戴塞羅思成功激活了活體小鼠大腦中的神經細胞：研究小組把channelrhodopsin-2基因導入運動皮層（大腦中控制運動的區域）的特定神經細胞，再用一根經顱骨小孔伸入大腦的細光纖照亮細胞，從而控制了小鼠胡須的移動。

2012年，光遺傳學起步階段的另一項著名成果發表。戴塞羅思與利根川進（1987年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者）合作，成功激活了記憶形成時建立的特定神經通路模式。研究者觀察到小鼠經歷恐懼時哪些神經細胞形成了對這段經歷的記憶，隨后重新激活這些細胞，小鼠雖身處安全環境，仍會表現出恐懼。這是首次精確証明，存儲特定記憶需要哪些神經細胞。

光遺傳學從根本上改變了人類對大腦的理解：它能揭示復雜的神經網絡中不同的大腦功能由哪些神經細胞控制，闡釋神經系統如何與心臟、腸道等部位的各種細胞相互作用，也加深了人類對抑郁症、焦慮症、精神分裂症、阿爾茨海默病和帕金森病等精神和神經系統疾病的認識。

正在進行的臨床試驗中，研究人員嘗試為因視網膜色素變性而失明的患者恢復視力：在一位盲人的視網膜中植入一種類channelrhodopsin蛋白后，患者恢復了部分視力，借助能發射光線的特制眼鏡，已能辨認並抓取桌面上的物體。光遺傳學用於改進人工耳蝸，同樣值得期待。