照一下光，就能让选中的神经元开始工作，甚至让小鼠表现出与一段记忆有关的反应。听起来有点科幻，但这项技术已经帮助科学家研究大脑二十多年啦！2026 年 10 月 5 日，诺贝尔生理学或医学奖颁给了 Karl Deisseroth、Peter Hegemann 和 Georg Nagel，表彰他们在光门控离子通道与光遗传学方面的发现。今天咱们就来看看：大脑里的“光开关”到底怎么来的，一种小小的藻类，又怎么和记忆、情绪联系到了一起。[1]
官方获奖信息｜2026 年诺贝尔生理学或医学奖。
01 神经活动与行为的因果关系
我们先想一个很日常的问题：为什么某个味道一出现，就能让人想起小时候？
大脑里有大量神经元，也就是传递信息的神经细胞。它们相互连接，通过电信号和化学信号交流。记忆、情绪和行为，就在这些细胞的共同活动中发生。
科学家可以记录哪些细胞在一个行为发生时比较活跃。但这还留下一个难点：跟着活跃起来的细胞，究竟参与推动了这个行为，还是只是接收到了相关信息？
咱们拿一个假设的例子来理解。听到上课铃声时，走廊里的学生多了，教室里的灯也亮了。如果只观察到“灯亮”和“学生进教室”一起发生，显然还不知道，灯在其中起了什么作用。
研究大脑也是如此。要往前走一步，最好能主动改变选中的细胞，再观察行为怎样变化。
电刺激能很快改变神经活动，但也容易影响附近不同类型的细胞和经过那里的神经纤维。药物有时可以针对特定受体，可扩散和起效的时间又不一定适合追踪快速的神经活动。[2]
能不能选对细胞，还能精确决定它们什么时候开始、什么时候停下？光遗传学解决的，就是这个让神经科学家惦记了很久的问题。
02 衣藻感光与 ChR2 的发现
这个发现的起点，并不是给大脑治病，而是一个看起来很基础的问题：衣藻怎么知道光在哪边？
衣藻是一种单细胞绿藻，能借助鞭毛游动，也会对光作出反应。细胞里有一个叫“眼点”的结构，和感光有关。大家看下面这张图，左边那个小小的红色区域就是眼点（eye spot）。它当然没有长出我们这样的眼睛，但确实拥有感知光的分子装置。[3]
图 1｜衣藻的眼点与向光游动。左边是衣藻结构，右边示意培养皿中的衣藻向光源一侧聚集。图源：诺奖官网；© The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén。
Peter Hegemann 研究衣藻的感光机制时，留意到了它非常快的电反应。一个重要猜想由此出现：这里会不会有一种蛋白，既能感光，又能直接打开一个让离子通过的通道？[3]
这个问题后来有了合适的实验搭档。Georg Nagel 擅长用非洲爪蟾的卵母细胞研究膜蛋白。他们让这些细胞制造衣藻中的候选蛋白，再照光、记录电流。[4]
这样做的妙处在于，研究者可以把候选蛋白放到另一个细胞系统里，看看光反应能不能跟着一起“搬家”。如果能，就更容易分清：到底是衣藻里一整套复杂装置在起作用，还是这个蛋白本身就具有关键功能。
结果，他们找到了能被光直接开启的通道蛋白。2002 年和 2003 年的研究分别揭示了通道视紫红质 1 和 2 的功能，其中通道视紫红质 2，简称 ChR2，成为后来光遗传学的重要工具。[2,4]
图 2｜把衣藻的感光通道放到蛙卵细胞中研究。左边示意导入相应遗传信息；中间的通道处于关闭状态，右边照光后通道打开，带电离子通过，形成可记录的电流。图源：诺奖官网；© The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén。
小小知识要知道｜离子通道是什么嘞？
细胞膜把细胞内外分隔开来。带电的粒子，也就是离子，通常需要通过膜上的通道才能跨膜移动。我们可以把离子通道理解成一种有选择性的“门”。
离子的移动会改变细胞膜两侧的电压。对神经元来说，这种电压变化足够大时，就可能触发一次动作电位，也就是沿神经元传播的短暂电信号。
ChR2 的特别之处是，合适波长的光能让这扇门打开。在常见的神经元实验条件下，它让正离子流入，使细胞更容易被激活。[4]
原来，藻类已经提供了一种把光信号转成电变化的办法。接下来就轮到神经元了！
03 ChR2 介导的神经元光控制
要研究神经细胞的活动怎样影响情绪和行为，需要能在细胞层面进行干预的工具。
ChR2 给了一个很直接的实验思路：让培养的神经元表达这种蛋白，再用蓝光照它们，看看能不能产生神经信号。
不过，思路简洁，实验未必轻松。藻类蛋白得在哺乳动物细胞里正常制造出来，进入合适的膜位置，还得有足够强、足够快的光反应，同时不能严重损害细胞。[2]
2005 年，Edward Boyden、Feng Zhang、Ernst Bamberg、Georg Nagel 和 Karl Deisseroth 在《Nature Neuroscience》发表了关键研究。他们在培养的哺乳动物神经元中表达 ChR2，通过短暂的光脉冲，实现了毫秒时间尺度的神经活动控制。[5]
图 3｜让培养的神经元表达 ChR2，再用蓝光触发神经信号。右侧白色尖峰示意动作电位，不是这张图直接展示的实验记录。图源：诺奖官网；© The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén。
大家看图 3 右边，光照打开通道，离子流动改变膜电压，接着出现神经信号。这样，研究者就能用光脉冲安排细胞活动的时间啦！
上面是原理示意，咱们再看一段真实的神经元电压记录（Boyden 等，2005，原文图 1e）。灰色短线表示光脉冲，黑色曲线表示神经元的膜电压；三组记录分别使用 5、10 和 15 毫秒的光脉冲。
文献图 1e｜短光脉冲诱发神经元的电压变化与放电（Boyden 等，2005）。
在这个记录示例中，10 和 15 毫秒光脉冲下出现了明显的动作电位尖峰，5 毫秒脉冲引起的电压变化则较小。它也提醒我们，光照时长和细胞的反应条件会影响是否触发放电。图里的尖峰，才是研究者实际记录到的神经信号。[5]
后来又发展出了不同的感光蛋白，有的帮助激活细胞，有的帮助抑制细胞。具体用什么颜色、产生什么效果，要看选的是哪一种蛋白和实验条件。[2]
小小知识要知道｜“光”与“遗传”，各自管哪一步？
遗传工具主要负责让哪些细胞表达感光蛋白，光照主要负责安排这些细胞在什么时候受到干预。实际的选中范围还受到表达方式、照光位置和组织内光传播的影响。
所以，光遗传学需要先让目标细胞获得相应的感光能力。普通手电筒照一下脑袋，并没有完成这一步哟！
到这里，我们已经有了一个可控制神经元的工具。但培养皿中的细胞，与一只正在活动的小鼠，毕竟还有很大距离。
04 活体小鼠的神经活动控制
大脑组织会吸收和散射光，脑内深处的细胞很难直接受到外部光照。要研究活体动物，研究者还需要把光送到目标位置。
2007 年，Deisseroth 团队等推进了这一步：通过光纤把光送入活体小鼠的大脑，在目标神经元中表达感光蛋白，从而控制脑内活动。关键研究还展示了对小鼠胡须运动的影响。[2,3]
图 4｜在活体小鼠中，把基因表达与光纤送光结合起来。光纤（optical fiber）将光带到脑内目标区域；右边示意记录到的神经信号。图源：诺奖官网；© The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén。
这样，科学家就能在动物活动时，按计划改变某些神经细胞的活动，看看行为有没有随之改变。
回到开头的问题：如果选中的细胞在某个行为出现时很活跃，我们现在可以进一步激活或抑制它们，再比较动物的表现。两类干预分别帮助检验“这群细胞的活动能否引出某种反应”以及“正常出现这种反应是否需要它们”。当然，实验还得设置适当的对照，并确认真正改变了哪些细胞。[2]
光遗传学的价值就在这里：它让研究者有办法把一个具体的细胞群，与可以检验的行为问题联系起来。
05 恐惧记忆相关神经元的再激活
一个很有代表性的应用，是 2012 年发表在《Nature》上的小鼠记忆研究。[6]
研究者先让小鼠经历与环境相关的恐惧学习，在这一过程中，标记海马齿状回里活跃的一部分神经元，并让它们表达 ChR2。齿状回是海马中的一个区域，参与记忆相关的信息处理。
接着，小鼠被放到另一个环境里。研究者通过光照，重新激活之前标记的细胞。结果，小鼠出现了更多“僵直”行为，也就是身体保持不动的一种防御反应，常用来衡量小鼠的恐惧记忆表达。[6]
这里最重要的比较，放在原文图 3a–c 中。我们先看左边的 a 面板：纵轴是僵直时间占观察时间的百分比，横轴按“关光—开光—关光—开光”排列，每段 3 分钟。红线是恐惧学习后的测试，蓝线是学习前的环境适应阶段。
文献图 3a–c｜重新激活学习时标记的神经元，诱发僵直行为（Liu 等，2012）。每组 12 只小鼠，误差线为均值±标准误。a 面板开光与关光比较：F(1,22)=37.98，P<0.001。b 为没有电击学习的对照，c 为表达 EYFP、未表达 ChR2 的对照。
学习后的红线在开光时升高，关光时又下降；学习前的蓝线保持在较低水平。但只有这一组还不够。中间的 b 面板中，小鼠没有经历电击学习，照光后没有出现同样明显的僵直增加；右边的 c 面板中，小鼠虽然经历了学习，却只表达荧光标记 EYFP，没有 ChR2，照光也没有引出同样的反应。[6]
这两组对照很关键：恐惧学习经历和能够被光激活的细胞，两者都参与了实验组的反应。我们因此能把这个结果与此前标记的学习相关细胞联系起来。
咱们留意这里最有意思的一点：这次干预直接作用于此前学习时活跃的细胞，而不是把小鼠重新放回原来的学习环境。研究者因此获得了更直接的证据，说明这群细胞的再激活能够引出相应的记忆相关行为。
小小知识要知道｜科学家怎么判断小鼠“想起来了”？
这个实验通过僵直行为及对照条件，研究恐惧记忆的表达。它支持特定神经元群在这一过程中发挥因果作用；小鼠主观上“回想起了什么画面”，并不是实验能直接读出的内容。[6]
这样的实验，开始让“记忆储存在怎样的细胞活动中”变成一个能具体操作的问题。读到这里，大家应该能感受到：真正令人兴奋的，是我们终于能对这些过去很难下手的问题，设计出更有针对性的实验了。
06 光遗传学与部分视觉恢复
小伙伴们大概还会关心：这项技术能给患者带来什么呢？
视觉恢复已经出现了值得关注的人体研究。2021 年，《Nature Medicine》报告了一名视网膜色素变性患者接受光遗传学干预后，部分视觉功能恢复的结果。[7]
这类疾病会造成视网膜感光细胞的退化。研究者尝试让仍然保留的视网膜神经节细胞表达感光蛋白，再借助专门的眼镜，把外界图像转成适合刺激这些细胞的光信号。
在这项研究中，患者接受训练后，在佩戴相应眼镜的条件下，能够感知、定位、计数和触摸一些物体。这里恢复的是特定条件下的部分视觉功能，距离正常视觉仍有很大差距。[7]
研究者还设计了一项更明确的检测任务：桌上有时放杯子，有时不放，请患者用按键回答“有”还是“没有”，同时记录脑电活动。下面是原文中的实验现场（原文图 1c）。患者戴着专用眼镜和脑电帽，帽上的电极用来记录脑活动。
文献图 1c｜视觉检测与脑电记录的实验现场（Sahel 等，2021）。
接着，研究者检查枕部脑电信号能否区分“有杯子”和“没杯子”的试次。这里的枕部位于头部后方，与视觉信息处理有关。下图纵轴是用脑电信号判断这两种情况的平均准确率，红色虚线表示 50%的随机水平（原文图 2b）。
文献图 2b｜用脑电活动区分“有物体”与“无物体”（Sahel 等，2021）。由左至右为刺激单眼睁眼、刺激单眼闭眼、自然双眼睁眼、自然双眼闭眼、自然单眼睁眼、自然单眼闭眼。黑点是交叉验证中各折的准确率，误差线为标准误；它们来自同一名患者，并非多名受试者。
最左边一组，也就是用专用眼镜刺激接受治疗的眼睛、并保持睁眼时，脑电解码准确率显著高于 50%；其余条件没有达到显著高于随机水平的结果。这里测量的是脑电信号对物体有无的区分能力，并不是患者日常视觉恢复了多少百分比。与行为检测放在一起看，这一步为患者获得了视觉输入提供了补充证据。[7]
但这个结果已经很有意义：借助基因递送和光学设备，一部分原本不承担主要感光任务的细胞，可以参与建立新的视觉输入。
如果进一步把工具用于脑内疾病治疗，还需要解决细胞选择、基因递送、送光装置和长期安全性等问题。动物中对某种行为或疾病模型产生影响，与在人类患者中形成有效治疗之间，还有不少工作要做。[2]
因此，今年诺奖所表彰的成就，首先是一项强大的研究工具及其基础发现。它让我们更精确地认识神经细胞，也为寻找治疗办法提供了新的线索。
总结与展望
再回头看，这项成果经历了好几个关键的转折：衣藻为什么能迅速感光，感光蛋白怎样直接打开离子通道，怎样把这种能力带进神经元，又怎样在活体动物里使用它。
每一步都解决了前一步还没解决的问题。今天大家熟悉的“用光控制大脑”，就是这样一点点做出来的。
今年获奖的是三位科学家，光遗传学的发展还包括许多研究者的贡献。比如 2005 年的关键论文里，就有 Boyden、Zhang 和 Bamberg 等人的工作；后来的蛋白改造、送光技术和应用研究，也不断扩展了这套工具。[2,5]
我觉得这里很值得多想一下：当年那个“衣藻怎么感光”的问题，本身就值得认真研究。发现一种细胞的工作方式，后来竟能帮助我们研究另一种细胞，甚至走向人体应用。这样的联系，很难在研究刚开始时就完整预料到。
所以，下次再看到一个看起来离医学很远的基础研究，咱们或许可以多停一下：它到底发现了什么？这个发现，又可能让哪些原本做不了的实验变得可行呢？
文末碎碎念
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参考资料
- 诺奖官网：2026 年诺贝尔生理学或医学奖新闻稿，2026-10-05
- 诺奖官网：Scientific background 2026
- 诺奖官网：Popular science background 2026
- Nagel G, et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel.PNAS. 2003;100:13940-13945. DOI：10.1073/pnas.1936192100
- Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity.Nature Neuroscience. 2005;8:1263-1268. DOI：10.1038/nn1525
- Liu X, et al. Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall.Nature. 2012;484:381-385. DOI：10.1038/nature11028
- Sahel JA, et al. Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy.Nature Medicine. 2021;27:1223-1229. DOI：10.1038/s41591-021-01351-4
