点击图片进入历年诺贝尔奖解读合集 我们的头颅里，有一张极其复杂的“电路网”，那就是大脑。这个只有约1.3千克重的器官，存放着童年的记忆，也控制着心跳的节奏、呼吸的韵律和睡眠的周期。 20世纪，科学家已经弄清了大脑哪些区域负责哪些功能。但当时的方法相当粗糙，无法证明某一类神经细胞直接引发了某种感受或行为，得到的大脑图像就像一张模糊的照片。如果能给某一类神经细胞装上开关，按下去看看会发生什么，该有多好？ 这个问题的答案，为三位科学家赢得了2026年的诺贝尔生理学或医学奖。 他们是卡尔·代塞尔罗思（Karl Deisseroth）、彼得·黑格曼（Peter Hegemann）与格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel）。他们发现了一种用光就能打开的“光控开关”（光门控离子通道）， 并由此催生了光遗传学（optogenetics） ，让人们能在活体大脑中开启或关闭单个神经细胞的活动。 获得2026年诺贝尔生理学或医学奖的三位科学家｜nobelprize.org 克里克的梦想：给神经细胞装开关 最早做这个梦的人之一，是1962年诺贝尔奖得主弗朗西斯·克里克（Francis Crick）。在1953年发现 DNA 双螺旋结构的几十年后，他开始研究人类意识背后的机制，并设想在活体大脑中激活单个神经细胞。 神经细胞里的信号快得惊人。克里克推断，要跟上这样的速度，最理想的工具可能是光： 如果能让神经细胞对光作出反应，也许就能控制神经活动 。他承认这个想法听起来有些异想天开，但未必无法实现。 科学家们梦想着为神经细胞装上一个开关｜© The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén 那么，去哪里找一个能被光拨动的开关呢？ 线索藏在一种肉眼看不见的绿藻里。 意外的线索：一颗游向光的绿藻 20世纪90年代初，在德国马丁斯里德的马克斯·普朗克生物化学研究所，黑格曼提出了一个简单的问题： 单细胞绿藻衣藻（Chlamydomonas）为什么能对光反应得这么快？ 衣藻只有约0.015毫米大，以会游向光源而闻名。 它靠一个“光感探头”（眼点）感知光线。 眼点是细胞表面一个橙色小点，里面含有捕光分子视黄醛（retinal）。 衣藻通过眼点感知光线，当光强度适当时，它会朝光源游去｜原图：© The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén 黑格曼用极细的电极测量发现，光到达眼点仅半毫秒后，衣藻就产生了电脉冲。相比之下，光进入人眼后要触发一条多步骤的化学连锁反应，全程至少需要10毫秒。 衣藻的反应比人眼快了20多倍，这是怎么做到的呢？黑格曼只能想到一种解释： 衣藻的机制要比人眼简单得多 。 从质疑到证实：青蛙卵里的答案 90年代初，黑格曼提出假说：一个蛋白复合体既能捕获光，又能充当“闸门”（离子通道），在细胞表面打开一个口子，让带电离子流过，形成电信号。这个假说遭到了质疑，因为当时已知的各种离子通道，没有一种能单靠自己对光作出反应。 要验证假说，就得把这个感光蛋白分离出来。可眼点里的蛋白一离开原本的环境，就变得不稳定、容易损坏。 经历多年挫折后，转机在千禧年前后出现。 日本研究者绘制了衣藻的 DNA 图谱，公开了数千个基因的遗传密码。黑格曼团队从中找到两个基因，与已知的捕光蛋白基因高度相似。 为了确认，黑格曼联系了法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所的纳格尔。纳格尔用青蛙的卵细胞研究蛋白质，他把这两个基因转录出的RNA分别注入不同批次的蛙卵，让卵大量生产这两种未知蛋白，蛋白最终分布在卵细胞表面的膜上。 结果很快揭晓：黑格曼十年前提出的假说是对的。 这两种新蛋白都是遇光就打开的离子通道，被命名为通道视紫红质-1（channelrhodopsin-1）和通道视紫红质-2（channelrhodopsin-2） 。 当 Nagel 和 Hegemann 把衣藻基因导入蛙卵后，蛙卵开始生产离子通道蛋白，这些蛋白最终分布在卵的表面。研究者用光照射这些离子通道时，通道打开，离子随之流过，产生电信号｜原图：© The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén 其中，通道视紫红质-2对光脉冲反应极强、极快，0.2毫秒内就在蛙卵表面打开通道，带正电的离子随即流过，产生电信号。 两人又把它的基因导入人胚胎肾细胞和仓鼠肾细胞，这些细胞也变得对光敏感。 2003年，黑格曼和纳格尔发表了实验结果，提出通道视紫红质-2可以成为用光在细胞中产生电脉冲的有力工具。 从培养皿到活体大脑 接下来，斯坦福大学的一位年轻科学家接过了接力棒。20世纪90