解讀 2026 諾貝爾醫學獎——用一束光照亮神經元

光遺傳學與諾貝爾獎

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北京時間2026年10月5日17時30分許，2026年諾貝爾生理學或醫學獎揭曉，卡爾·戴塞羅思（Karl Deisseroth）、彼得·黑格曼（Peter Hegemann）和格奧爾格·內格爾（Georg Nagel）共同獲獎，以表彰他們在光門控離子通道和光遺傳學方面的發現[1]。

▲ 2026年諾貝爾生理學或醫學獎三位得主（插畫）

要弄懂這次的諾獎，我要先帶你回到上世紀八十年代，今天的故事要從一種會追光的綠藻開始講起……

爛泥池塘中的奇特現象：“撲火”的綠藻

1980年代初的一個夜晚，紐約州雪城大學的一間生物物理實驗室裏，研究員肯尼斯·福斯特（Kenneth Foster）獨自站在暗室的操作檯前。他手裏拿着一隻裝滿墨綠色渾濁液體的透明玻璃燒杯，裏面盛着的，是剛剛從學校池塘爛泥裏舀上來的單細胞綠藻——萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）。

他從抽屜裏摸出一隻帶有藍綠色濾光片的手電筒，輕輕按下了側面的開關。一道極細的光束，斜斜地刺透了幽暗的燒杯水體。

有趣的一幕在燒杯裏上演了：

原本在水底雜亂無章漫遊的成千上萬顆綠色小球，彷彿在一瞬間聽到了某種無聲號角。它們齊刷刷地調轉方向，頭上那兩根比頭髮絲還要細上百倍的纖細鞭毛瘋狂擺動，像一支由數十萬艘微型潛艇組成的整齊艦隊，排山倒海般朝着光束投射的區域狂奔而去。當福斯特把手電筒移向左邊，整座“綠色星雲”便在幾百毫秒之內集體左轉。

▲ 萊茵衣藻：沒有眼睛，只靠一個眼點，就能整羣追着光跑

其實，這種奇特的現象並不是什麼新鮮事。早在19世紀後半葉，歐洲的博物學家們就曾隔着簡陋的黃銅顯微鏡，目睹過這種單細胞生命的奇異舞步。但在此後一百多年的時間裏，人類科學界始終回答不了一個最底層的物理謎題：

這些綠藻沒有眼睛（只有一個眼點），沒有視神經，更沒有哪怕一個神經元去充當大腦。

全身只有一個細胞的一粒綠藻，憑什麼能夠在一瞬間“看清”光線射來的方位？它又是憑什麼能在短短几毫秒內，把光子的撞擊，翻譯成鞭毛划水的機械指令？

福斯特找到了答案的一半：他在1984年證明，衣藻靠的是一種視紫紅質類的感光蛋白，和我們眼睛裏的感光分子屬於同一個家族[2]。但這種蛋白究竟是怎樣把光變成鞭毛的動作的，他沒能完全回答。

爪蟾卵母細胞上的奇蹟：從光到電的瞬間

時間來到了二十一世紀初。在德國，兩位性格迥異的學者展開了合作。

雷根斯堡大學的彼得·黑格曼，是一位沉穩內斂的生物化學家，常年埋頭在衣藻光受體的研究中；而他的合作者、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，則是一位作風極其硬朗、手藝絕倫的電生理專家。

（這兩位，正是本次諾獎的得主。）

他們把萊茵衣藻中生產感光蛋白的“圖紙”，用顯微注射的方法打進非洲爪蟾卵母細胞。這種細胞直徑約1毫米，肉眼就能看見，它就是一座微型的蛋白質生產工廠：只要生產圖紙被放進來，它就能按照圖紙生產蛋白質。

▲ 把衣藻的感光蛋白裝進爪蟾卵母細胞：藍光一照，不到1毫秒就有電流

這天下午，內格爾正躬着背坐在防震實驗臺前。顯微鏡下，是一顆特殊的非洲爪蟾卵母細胞，之所以特殊，是因爲這顆卵細胞已經生產了大量衣藻感光蛋白。

內格爾按下開關，一道微弱的幽藍激光，打在卵母細胞膜上。

“啪！”

幾乎在激光落下的同一瞬間，電信號示波器屏幕上的綠色熒光基線猛地向下狠狠砸出了一道尖銳的折線！他一把推開顯微鏡，身體前傾，死死盯住示波器橫座標上的時間刻度。

光脈衝落下與光電流產生之間的延遲，居然只有短短的不到200微秒！

這讓內格爾無比震驚。因爲按照當時對動物視覺的主流認知，感光是一場漫長而繁瑣的“生化多米諾骨牌”：光子打在色素上，色素變構，激活G蛋白；G蛋白再去激活第二信使酶；酶再催化產生小分子化學信號；化學信號在水溶液裏四處亂撞，最終改變離子通道的開閉，產生微弱的神經電信號。這是一場至少需要幾十毫秒甚至上百毫秒才能跑完的微觀接力賽。

然而，在這顆卵母細胞上，從感光到產生電信號，花費的時間實在短得有點荒謬。

“彼得！快過來看！”內格爾的聲音在實驗臺上迴盪，甚至帶着一絲失控的破音。黑格曼衝了過來，迎上內格爾震顫的目光，他聽見內格爾說：

“沒有第二信使，沒有接力賽跑。在這個蛋白質裏……感光的“開關”和放電的“大門”，根本就是焊死在同一個零件裏的！”

2002年與2003年，內格爾與黑格曼團隊相繼在頂尖期刊發表論文，正式克隆並命名了這兩個劃時代的感光蛋白質——通道視紫紅質-1（ChR1）與通道視紫紅質-2（ChR2）[3][4]。

這是大自然鬼斧神工的微觀傑作：它就像一扇鑲嵌在細胞膜上的全自動旋轉門。黑暗中，門扉緊閉；一旦一束特定波長的藍光照在門上，門就應聲而開！

▲ 通道視紫紅質-2（ChR2）：黑暗中關閉，藍光一照即開，陽離子湧入細胞

然而，在論文剛剛發表的最初幾年，這兩篇來自植物生理學和生物物理學小圈子的論文，並沒有引發太大的反響。在很多生物學家看來，內格爾和黑格曼無非是搞清楚了“池塘中的綠藻曬太陽的微觀姿勢”，不知道有什麼應用價值。

不過，當他們的論文擺在了另外一位科學家面前時，那就像一道閃電擊中了他。

一封跨洋郵件：把綠藻的“光開關”裝進神經元

2004年初，在斯坦福大學，一羣年輕的神經科學研究者正在琢磨一個近乎異想天開的問題：有沒有辦法，只用一束光，就讓某一類神經元瞬間開啓或者關閉？

問題是，神經元本身並不會聽從光的指揮。傳統的腦刺激方法各有缺陷。電刺激很快，但它有點像拿着一根電棒伸進複雜的電路板：附近不同種類的神經元、纖維都可能同時受到影響，你很難只挑中自己真正想研究的那一羣細胞。

藥物則正好相反。它可以針對某些受體發揮作用，但往往起效比較慢，而且很難把作用限制在某一個精確的小範圍內。而神經元之間的交流，很多時候發生在毫秒尺度上。

科學家需要一種新的工具：既要快，又要準。

▲ 研究大腦的三種工具：電極快但粗糙，藥物準但太慢，光遺傳學又快又準

就在這時，正在斯坦福大學念博士的愛德華·博伊登（Edward Boyden）看到內格爾和黑格曼的論文。就像一道閃電，擊中了博伊登。內格爾他們在綠藻中發現的ChR2蛋白，簡直就像是大自然已經造好的一隻“光控開關”：藍光照上去，它就會打開，讓帶電粒子穿過細胞膜。

於是，一個大膽的想法立刻在博伊登的腦子中浮現出來：

如果把這個開關裝到神經元上，會發生什麼？

2004年2月，博伊登把這個想法告訴了同在斯坦福大學做博士後的卡爾·戴塞羅思（Karl Deisseroth），他就是今年諾獎的第三位獲得者。一個月後，戴塞羅思給遠在德國的內格爾發去了一封電子郵件，希望能夠得到ChR2蛋白的基因材料，在神經元裏試一試。內格爾很快同意了。不久之後，那份來自綠藻的DNA跨過大西洋，被送到了斯坦福。

一場後來改變整個神經科學的實驗，就這樣從一封郵件開始了。

不過，來自綠藻的蛋白質，到了哺乳動物的神經元裏，還能工作嗎？畢竟，綠藻和哺乳動物已經沿着完全不同的進化道路走了十幾億年。

但實驗結果出奇地順利。研究人員把生產ChR2蛋白的基因送進培養的大鼠神經元。神經元竟然真的按照這份來自綠藻的“圖紙”，製造出了ChR2蛋白，而且還把它正確地安裝到了自己的細胞膜上。一種屬於池塘微藻的感光裝置，就這樣出現在了哺乳動物的神經細胞上。現在只剩下最後一個問題：它真的能用光控制神經元嗎？

▲ 藉助病毒載體，綠藻的ChR2基因被送進大鼠神經元，並正確安裝到細胞膜上

2004年8月4日凌晨一點。

在斯坦福大學的一間實驗室裏，顯微鏡下，是一顆已經表達了感光蛋白的神經元。博伊登把記錄電極接到細胞上。屏幕上的電信號保持着平穩。接下來，他打開了藍光。

幾乎就在光亮起的瞬間，屏幕上出現了一個清晰的動作電位。神經元真的放電了。博伊登後來回憶，那天晚上他測試的第一顆神經元，就成功響應了光刺激。這件事最令人震撼的地方，並不只是“成功了”，而是它的速度。

藍光可以在毫秒尺度上控制神經元的活動。光脈衝什麼時候出現，神經元就可以跟着什麼時候放電。原本來自綠藻的一個光敏蛋白，真的變成了神經元身上的“光開關”。這意味着，人類第一次擁有了一種前所未有的可能：

通過遺傳方法挑出某一類神經元，再用光精確控制它們。2005年，戴塞羅思、博伊登等人在《自然·神經科學》發表了這項工作[5]。

但故事並沒有停在這裏。如果ChR2蛋白像一個“油門”，藍光一照，可以讓神經元更容易興奮，那麼有沒有辦法找到一個“剎車”？

2007年，戴塞羅思等人又把另一種天然的光敏蛋白髮展成了抑制神經元的工具[6]。它來自古菌，能夠在另一種顏色的光照下改變神經元的電狀態，使它不容易放電。於是，一個極其直觀的控制系統逐漸形成：一種光，可以讓神經元興奮；另一種光，可以讓神經元安靜下來。

人類開始真正擁有了用光撥動神經迴路的能力。

跨出培養皿：把光送進活着的大腦

但是到這裏，光遺傳學還只是完成了一半。因爲培養皿裏的一個神經元，與真正的大腦完全不是一回事。真實的大腦中，數以億計甚至數以百億計的神經元彼此連接。你真正想研究的那一小羣細胞，往往藏在腦組織深處。

而光又不能輕易穿過顱骨。

所以新的難題出現了：怎樣把光準確送進活着的動物大腦？

2007年前後，這個關鍵障礙開始被突破。戴塞羅思團隊把細小的光纖與光遺傳技術結合起來，把光直接送到活體動物腦內指定的位置。研究人員已經不再只是隔着培養皿控制單個細胞。他們開始能夠在活着的動物身上，選擇性地控制某一類神經元，然後觀察動物的行爲會發生什麼變化。

同一年，研究者在自由活動的小鼠身上完成了一項非常漂亮的實驗。他們把ChR2蛋白裝進大腦中一羣與睡眠和清醒有關的神經元，然後通過植入的光纖刺激這些細胞[7]。

結果發現：當這些神經元受到光刺激以後，小鼠從睡眠中醒來的概率明顯增加。這時候，光遺傳學真正發生了質變。

過去，研究大腦經常是在觀察：動物做某件事的時候，哪些腦區變活躍了？但這裏始終隱藏着一個問題：“同時發生”，並不等於“誰導致了誰”。

比如，一隻小鼠害怕的時候，某些神經元特別活躍。這隻能告訴我們：恐懼和這些神經元的活動有關。但究竟是這些神經元推動了恐懼？還是恐懼發生以後，它們纔跟着活躍起來？單靠觀察，很難回答。

當然，在光遺傳學之前，科學家已經可以通過破壞腦區、電刺激或者藥物等方式研究因果關係。但這些手段往往很難同時做到兩件事：

第一，只控制某一種特定的神經元；

第二，在毫秒級的時間尺度上迅速控制它。

光遺傳學第一次把這兩種能力非常漂亮地結合到了一起。科學家不再只能問：“動物害怕的時候，哪些神經元在活動？”他們還可以進一步做實驗：如果我只打開這一羣神經元，會發生什麼？如果我暫時關掉它們，行爲又會怎樣改變？

這就是光遺傳學最重要的意義。它並不是簡單地讓我們“看見大腦”。而是讓我們能夠主動撥動大腦裏的某一根琴絃，然後聽聽整個系統會發出什麼聲音。

從此以後，一系列過去幾乎無法直接實驗的問題，都有了新的研究方法。比如記憶。

利根川進團隊曾經利用光遺傳學找到小鼠海馬中參與某段記憶的一羣神經元，也就是所謂的“記憶痕跡細胞”。當研究人員重新用光激活這些細胞時，小鼠會表現出與那段記憶相關的行爲[8]。

後來，他們甚至讓小鼠把一個本來沒有遭遇過危險的環境，與後來發生在別處的恐懼體驗錯誤地聯繫起來。換句話說，研究人員在實驗條件下誘導出了一種“虛假的恐懼記憶”[9]。

在帕金森病動物模型中，研究人員也可以利用光遺傳學只控制運動迴路中特定的一條神經通路。當正確的通路被激活之後，小鼠原本嚴重的運動遲緩和啓動困難能夠明顯改善[10]。

類似的實驗還遍佈睡眠、成癮、焦慮、抑鬱、疼痛、獎賞、學習和記憶等大量研究領域。

這就是爲什麼光遺傳學雖然沒有像一種新藥那樣，直接擺進醫院藥房，卻仍然被認爲改變了整個神經科學。

因爲它改變的不是某一個問題的答案。它改變的是我們能夠怎樣向大腦提問。

從一粒會追逐光線的綠藻，到一隻自由活動的小鼠；從池塘中的微小生命，到人類最複雜的器官；一條看似毫無關聯的科學線索，最終匯聚成了一種全新的研究工具。

人類第一次能夠如此精準地選擇一羣神經元，然後對它們說：

現在，亮起來。

而一束光，也由此照進了過去最難以觸碰的大腦深處。

結語：無用之學的偉力

最後談幾點我對這次諾獎的看法：

第一，它展現了一個最經典的諾獎範式：一個原本極其基礎、看起來甚至有些偏門的小發現，最終賦予了整個人類一種前所未有的認知自然的能力。有些科研工作是在現有地圖上圈出一處金礦，而光遺傳學，則是爲人類拓荒者鍛造出了一具能夠刺穿迷霧的望遠鏡。它不是解開了一道孤立的題，而是讓人類從“盲人摸象”的困境，一躍擁有了以毫秒級精度撥弄生命琴絃的自由。

第二，從科學史的尺度來看，這類工具與方法論的革命，其影響往往遠比某一種具體的臨牀療法更爲深遠。一種新藥可以治療特定疾病，改變的是局部問題的答案；而光遺傳學這樣的底層工具，改變的是以後所有研究者能夠怎樣提問、怎樣設計實驗、怎樣在因果關係與相關性之間劃出涇渭分明的鐵界。它重塑了全人類向大腦發問的底層遊戲規則。

第三，基礎研究往往都像無用之學，然而科學史一再表明，無用之學很可能有大用。基礎研究真正不可替代的價值，並不是“今天看起來沒用的東西，將來一定有用”。科學從來沒有這種保證。它真正的價值在於：我們無法事先知道，哪一個關於自然的基礎事實，會在幾十年後的另一門學科中成爲關鍵拼圖。

研究萊茵衣藻趨光機制的人，並不是爲了治療帕金森病、抑鬱症或者破解記憶。他們只是想知道，一個單細胞生命究竟怎樣感受光。正因爲基礎科學允許人類追問這種當時沒有明確應用答案的問題，我們今天才擁有了一種可以用光操控神經迴路的工具。

宇宙最深沉的密碼，往往就藏在最微不足道的偏僻角落裏。正是出於純粹好奇心的堅守，才讓一粒池塘微藻開啓了一個新時代的大門。

▲ 從池塘綠藻到諾貝爾獎：光遺傳學四十年

在生命最底層的物理與生化法則面前，無論是池塘裏遊弋的一粒綠藻，還是人類顱骨下奔湧的思緒，整個宇宙的生命，本就彈奏着同一套通用的樂章。

人類探尋生命奧祕的征程，只是剛剛開始！

責編　珍豆　撰稿　汪詰　排版　牛牛

信源

[1] 新華社，2026年諾貝爾生理學或醫學獎獲獎報道（2026年10月5日）：
https://www.xinhuanet.com/20261005/ced9aad673384e19be735e533d14029b/c.html

[2] Foster K. W. 等，A rhodopsin is the functional photoreceptor for phototaxis in the unicellular eukaryote Chlamydomonas，Nature 311: 756–759（1984）。

[3] Nagel G., Hegemann P. 等，Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae，Science 296: 2395–2398（2002）。

[4] Nagel G., Hegemann P., Bamberg E. 等，Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel，PNAS 100: 13940–13945（2003）：光電流在激光閃光後200微秒內出現。

[5] Boyden E. S., Zhang F., Bamberg E., Nagel G., Deisseroth K.，Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity，Nature Neuroscience 8: 1263–1268（2005）。

[6] Zhang F. 等（Deisseroth 團隊），Multimodal fast optical interrogation of neural circuitry，Nature 446: 633–639（2007）：用來自古菌的嗜鹽菌視紫紅質（NpHR）在黃光下抑制神經元。

[7] Adamantidis A. R. 等，Neural substrates of awakening probed with optogenetic control of hypocretin neurons，Nature 450: 420–424（2007）。

[8] Liu X. 等（利根川進團隊），Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall，Nature 484: 381–385（2012）。

[9] Ramirez S. 等（利根川進團隊），Creating a false memory in the hippocampus，Science 341: 387–391（2013）。

[10] Kravitz A. V. 等，Regulation of parkinsonian motor behaviours by optogenetic control of basal ganglia circuitry，Nature 466: 622–626（2010）。