导 读 光遗传学被认为是一项注定要得诺奖的技术。 刚刚，2026诺贝尔生理学或医学奖公布，光遗传学领域的几位科学家 彼得·黑格曼 （Peter Hegemann）、 卡尔·代塞尔罗思 （Karl Deisseoth）、格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel）获得该奖。 而实际上，对于光遗传学的发展有重要贡献的科学家不止他们三位。《知识分子》特撰文介绍该领域的发展。 撰文 | 王承志 责编 | 夏志坚 彼得·黑格曼（Peter Hegemann） 黑格曼于1954年出生于德国西部的明斯特。1984年在慕尼黑获得了博士学位，他博士期间的主要工作是对卤代视紫红质的结构和功能进行研究。1984年至1985年，黑格曼在迪特·奥斯特尔赫特（Dieter Oesterhelt）的实验室从事博士后研究。1986年，黑格曼在德国马普所建立了自己的实验室。2004年起，担任柏林洪堡大学教授。 黑格曼与格奥尔格·纳杰尔（Georg Nagel）一起发现了通道视紫红质，这是直接光门控离子通道的一个家族，这一发现开辟了光遗传学的新领域。黑格曼的研究小组还对通道视紫红质进行了很多分子工程的改造，使得科学家能较为容易地利用光来操纵神经元和其他细胞的活性。 卡尔·代塞尔罗思（Karl Deisseroth） 代塞尔罗思1971年出生于美国。在哈佛大学获得生物化学学士学位后，1998年在斯坦福大学获得神经学博士学位。2004年，他在斯坦福大学组建了自己的实验室。 2005年，代塞尔罗思实验室的博士后爱德华·博伊登（Edward Boyden）和学生张锋等共同发表了一篇论文，首次利用通道视紫红质在神经细胞上实现了毫秒级动作电位的控制。2006年，代塞尔罗思将这种方法命名为 “光遗传学”。他们的方法很快被广泛应用于生物学各个领域，使生物学家可以用光控制各种生命活动。 格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel） 格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel），德国生物物理学家，1953年8月24日出生于德国魏恩加滕（Weingarten）。他本科在康斯坦茨大学（University of Konstanz）学习生物学和生物物理学，期间师从后来长期合作的生物物理学家 Ernst Bamberg；毕业后一度还在瑞士中学任教。1984年，他开始在法兰克福大学和马克斯·普朗克生物物理研究所攻读博士，1988年获得博士学位。此后赴美国，在耶鲁大学和洛克菲勒大学从事约5年的博士后研究。 大脑是人最复杂的器官，人的感觉、记忆、思考、运动等诸多生理活动，以及各种神经系统疾病都与神经元的功能息息相关。多年以来，理解各种神经元（神经细胞）的具体功能一直是神经生物学的中心研究领域。 特异性地控制神经元活动对神经生物学家具有无法抵挡的吸引力。如果能特异性地激活一类神经元，那么就可以通过观察激活后的生理现象来推测其功能。同理，如果能特异性地抑制一类神经元，则可以推测这类神经元对哪些生理活动是必须的。 神经生物学家们尝试过各种方法来达到这个目标。比如，用微电极来刺激神经元，或者使用化学物质来模拟或者拮抗神经递质。但这些方法都有难以克服的缺陷：微电极控制的精度不够，比如不能特异性地控制一类神经元；化学物质控制神经元的速度难以控制，很难在毫秒级别进行操作。 弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在1999年在圣地亚哥的加利福尼亚大学的一场讲座中就提到了可以使用光来选择性地精确控制大脑细胞不同亚型的神经活动。但该设想当时未能实现。2002年1月，奥地利神经科学家格罗·米森伯克（Gero Miesenböck）发表了一项重要的工作。他的团队把果蝇三个蛋白（rhdopsin，arrestin-2，G蛋白ahpha亚基）表达在脊椎动物的神经元中，第一次实现了使用光来控制神经活动[1]。尽管这个技术发表时还很不成熟，例如需要较长的时间来实现神经活动的开关，但已经为光控神经系统打开了大门的一角。 德国雷根斯堡大学彼得·黑格曼（Peter Hegemann）教授在研究绿藻时发现，绿藻的光响应时间极快，难以用经典的G蛋白偶联动物视紫红质来解释。于是，他和法兰克福马克斯普朗克研究所的电生理学家格奥尔格·纳杰尔（Georg Nagel）合作研究了绿藻的光敏蛋白。 这次合作的结果让他们非常意外。他们发现了绿藻居然有一种能将感光和质子泵偶联起来的视紫红质，这样的视紫红质以前从来没有人报道过。他们给这种蛋白取名为 Channelrhodopsin-1（ChR1），这个词由离子通道（Channel）和视紫红质（Rhodopsin）组合而成。他们还在爪蟾的卵细胞中表达了这种蛋白，发现光照可以引起细胞的静息电位发生变化。这项开创性的工作发表在了2002年6月的 Science 上[2]。 第二年，纳杰尔和黑格曼又发现了一个