用光控制神经元的诺贝尔获奖技术背后的科学

卡罗林斯卡学院将 2026 年诺贝尔医学奖授予斯坦福大学的研究人员卡尔·代瑟罗斯 (Karl Deisseroth)、柏林洪堡大学的彼得·赫格曼 (Peter Hegemann) 和维尔茨堡大学的乔治·内格尔 (Georg Nagel)。他们的发现促进了光遗传学的发展，这是一种科学家可以利用光束打开或关闭单个神经细胞的技术。诺贝尔医学委员会主席佩尔·斯文宁森 (Per Svenningsson) 表示，“光遗传学提供了以我们曾经只能梦想的方式绘制大脑图谱的机会。”没有其他技术可以对活体大脑进行如此精确的研究，帮助研究人员更好地了解我们的神经系统的功能以及各种神经系统疾病和紊乱。但这个奖项不仅仅是对神经科学的庆祝。它也是不同生物学学科融合时会发生什么的胜利范例，因为作为光遗传学发展基础的发现来自微生物学研究。上世纪末，Peter Hegemann 开始了一系列研究，以了解单细胞藻类衣藻 (Chlamydomonas) 如何检测光并做出反应。先前的研究表明，衣藻有一个“眼斑”，即其表面的一个橙色小点，其中含有一种称为视网膜的光感应分子。赫格曼使用微型电极来测量藻类产生的电信号，并扩大我们对这种结构快速响应的理解。科学家发现，该生物体能够在接收光后约 0.5 毫秒产生电脉冲。这一响应时间比人眼快20倍，人眼的光检测过程至少需要10毫秒。赫格曼认为，藻类中的光检测必定是比人眼中识别的过程简单得多的过程的结果。 20 世纪 90 年代初，他提出眼斑中含有一种蛋白质，可以检测光并对光做出反应，很可能作为让离子通过的通道而打开。当时，这一假设引发了争议。到目前为止，已经记录了许多离子通道，但没有一个离子通道能够自行响应光。为了验证他的理论，科学家试图从眼斑中分离出光敏蛋白。然而，当这些蛋白质脱离自然环境后，它们变得不稳定。后来，一组日本研究人员对衣藻的完整 DNA 进行了测序，这使得 Hegemann 的团队能够识别出两个基因，它们可以产生具有可能的光传感通道的预期特征的蛋白质。乔治·内格尔下一步验证了基因的功能。他将每个已识别基因的副本分别引入不同组的青蛙卵中。卵子开始产生相应的蛋白质，最终定位于细胞膜。内格尔随后打开了灯。