这项技术为神经科学开启了一个新的时代。



撰文 | 凌骏



10月5日，2026年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家Karl Deisseroth、德国科学家Peter Hegemann和Georg Nagel，以表彰他们“有关光门控离子通道和光遗传学的发现”。

光遗传学是一种用光来控制特定细胞活动的技术。它让科学家第一次能够在活体大脑中，精确地打开或关闭某一类神经细胞，从而直接检验这些细胞与记忆、情绪和行为之间的因果关系。评审委员会认为，这项技术为神经科学开启了一个新的时代。


光遗传学是什么？

成年人的大脑约有900亿个神经细胞，不同类型的细胞相互交错，功能各异。想要弄清某一类细胞的作用，最直接的办法是单独改变它的活动，再观察动物的行为是否随之变化。

但在很长一段时间里，这是一道难题。常用的电刺激无法区分细胞类型——电极附近的所有细胞都会同时被激活；药物虽然可以针对某一类细胞，但起效需要数分钟甚至更久，远远跟不上以毫秒计的神经信号。

正因如此，科学家长期只能观察到某个脑区在某种行为发生时变得活跃，却无法证明是其中哪一类细胞引起了这种行为。

光遗传学改变了这一困境。它的名称概括了两个要素：“遗传”决定哪些细胞被选中，“光”决定这些细胞何时被激活。

要理解它，先要知道神经细胞如何工作。细胞膜上分布着许多离子通道，如同一扇扇门：门关着，细胞保持安静；门一开，带电的离子涌入，细胞就会发出一次电信号。

光遗传学的做法，是给目标细胞装上一种只在光照下才打开的“门”。研究者先选定一种光敏蛋白，再借助病毒载体，把编码这种蛋白的基因送入目标神经细胞，使其细胞膜上长出这种通道，最后通过植入的细光纤把光送到相应脑区。

蓝光一照，门打开，细胞随即发出信号；光一熄灭，细胞恢复安静，前后间隔只有几毫秒。换用另一类光敏蛋白，光照则会让细胞安静下来。两者配合，研究者就能随时“打开”或“关闭”同一类神经细胞。

这种光控的“门”来自一种单细胞绿藻。Hegemann和Nagel发现并证实了藻类中的光敏通道蛋白，Deisseroth则把它引入神经细胞，并发展出在活体动物中使用的整套方法。

早期的几项实验展示了它的能力。2007年，研究者用光照射小鼠运动皮层中的特定细胞，引起了胡须的运动；同年，他们用光激活下丘脑中的一类细胞，唤醒了睡眠中的小鼠。2012年，研究者标记出小鼠形成恐惧记忆时活跃的一群海马细胞，之后在安全环境中用光重新激活它们，小鼠再次表现出恐惧。

对临床有什么价值？

光遗传学对医学的价值，首先在于认识疾病。借助这一方法，研究者识别出了与疼痛、进食、睡眠、奖赏和社会行为相关的神经回路，并发现焦虑这类复杂状态，是由多条功能不同的回路共同构成的。

这些研究加深了人们对抑郁症、焦虑症、精神分裂症、阿尔茨海默病和帕金森病的理解。当研究者知道哪一类细胞、哪一条连接与某种症状相关时，就有可能设计出更有针对性的干预手段，同时减少对其他功能的影响。

在治疗方面，进展最快的是眼科。视网膜色素变性是一种遗传性疾病，会逐渐破坏视网膜中负责感光的细胞，最终导致失明，但视网膜中向大脑传递信号的神经节细胞往往仍然存活。

光遗传学治疗的思路，是让这些存活的细胞承担感光的任务。

2021年，《自然·医学》报道了一名患者的治疗结果：研究团队将光敏蛋白的基因送入其视网膜神经节细胞，使这些细胞能够对光产生反应。患者佩戴的专用眼镜把外界图像转化为适当的光刺激，投射到视网膜上。经过训练，这名失明多年的患者恢复了部分视觉，能够辨认并抓取桌上的物体。

这一方向仍在推进。2025年，一项纳入6名斯塔加特病患者的Ⅱ期研究，也报告了治疗后部分视觉指标的改善。此外，现有的人工耳蜗依靠电流刺激听神经，研究者希望借助光遗传学，以更高的精度激活听神经。

需要说明的是，光遗传学目前主要仍是一种研究工具。用于人体时，既要把外源基因安全地送入目标细胞，又要让光抵达相应部位，因此现有的临床尝试，也多集中在眼睛这类光线易于到达的器官。

目前，已发表的人体研究规模还很小。疗效能维持多久、哪些患者能够受益、长期安全性如何，都有待更大规模的对照研究来回答。


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