https://x.com/NobelPrize/status/2107041023977513263 2026年諾貝爾生理學或醫學獎頒給 Karl Deisseroth、Peter Hegemann 和 Georg Nagel ，表彰他們在光控離子通道與光遺傳學方面的發現。 Karl Deisseroth，1971 年出生。 1998 年獲得美國史丹佛大學博士學位，2000 年獲得 醫學博士學位。 霍華休斯醫學研究所和史丹佛大學生物工程和精神病學與行為科學教授 。 彼得‧黑格曼，1954年出生。 1984年獲德國馬丁斯里德馬克斯普朗克生物化學研究所博 士學位。現任德國柏林洪堡大學赫爾蒂神經科學高級教授。他所獲的獎項發現皆出自德國 馬丁斯里德馬克斯普朗克生物化學研究所。 格奧爾格‧納格爾，1953年出生。 1988年獲德國法蘭克福大學博士學位。現任德國維爾 茨 堡大學分子植物生理學與生物物理學系（植物學系一）分子植物生理學教授。他獲獎的研 究成果是在德國法蘭克福馬克斯普朗克生物物理研究所取得的。 一種光敏藻蛋白為神經科學注入活力 了解大腦如何形成記憶、情緒和行為一直是研究員的夢想。2026年諾貝爾生理學或醫學獎 得主開創光遺傳學。光遺傳學使得在活體大腦中開啟或關閉單一神經細胞的活動成為可能 。目前，世界各地的實驗室都在用這種方法來揭開大腦的奧秘。 大腦這個只有大約1.3公斤重的器官怎麼能承載童年的記憶、白日夢和創造力？它怎麼能 成為快樂、愛和嫉妒的根源？它又是如何控制心跳的節奏、呼吸的節奏和睡眠週期的？ 自古以來研究員就試圖解開這個生物學謎團。 20世紀他們成功確定了大腦哪些區域控制 著各種生理功能。這提供了寶貴的認識，但當時的方法相對粗糙，無法證明某種特定類型 的神經細胞直接導致某種感覺或行為。因此，當時呈現的大腦影像就像一張模糊的照片， 缺失了許多細節。 法蘭西斯克里克（1962年諾貝爾獎得主）是夢想擁有更精確的工具來探索大腦極其複雜 的神經細胞網路的人之一。在1953年開創性地發現DNA雙螺旋結構幾十年後，他開始研究 人類意識的機制。他設想了激活活體大腦中單一神經細胞的方法。神經細胞中的訊號傳遞 速度極快。為了匹配這種速度，他認為使用光可能是理想的選擇。如果分子生物學家能夠 以某種方式操縱神經細胞並使其對光做出反應，他們或許就能控制神經活動。克里克承認 他的想法聽起來有些異想天開，但或許並非不可能實現。 他預見的未來如今已成為現實。卡爾等人因發現神經細胞的分子開關而獲得2026年諾貝爾 獎。如今研究員用光技術能開啟或關閉大腦的單一神經迴路。他們可以喚醒記憶、創造情 緒、驅動行為，並研究與各種精神和神經疾病相關的神經元類型。光遺傳學正在從根本上 改變我們對大腦的理解。它也為我們深入了解神經系統如何與身體其他部位（例如心臟和 腸道）的各種細胞相互作用提供了重要線索。 這一切都源自於一位研究員的好奇。 1990 年代初馬丁斯里德馬克斯普朗克生物化學研究 所的彼得黑格曼提出了一個簡單的問題：單細胞藻類衣藻是如何對光線做出如此迅速反應 的？ 黑格曼研究了遊動藻類如何感知光線 衣藻以其趨光性而聞名。當研究人員將這種綠藻攪動到培養皿中時，液體會變成淡淡的綠 色。如果他們隨後照亮培養皿的一側，綠色就會向光源方向移動，因為微小的藻類會向光 源游去。這些藻類透過眼點感知光線，眼點是細胞表面一個微小的橙色斑點，其中含有一 種能捕捉光線的分子—視黃醛。 黑格曼研究了藻類的眼點。他利用微型電極測量了衣藻眼點被光照時產生的電訊號。藻類 的反應速度驚人。光線到達眼點後僅半毫秒，就產生了電脈衝。 與當時研究員所知的其他生物系統相比，這種反應速度驚人。例如，光線照射到人眼會觸 發一系列複雜的化學反應，涉及許多不同的步驟。這條反應鏈中的最後一個蛋白質—離子 通道—會在細胞表面形成一個開口，帶電離子可以通過這個開口流動，從而產生電訊號。 整個過程至少需要10毫秒。那麼，衣藻對光的反應速度為何比我們人類的眼睛快二十多倍 呢？ 藻類快速的光反應激發了黑格曼的好奇心。 黑格曼只能想到一種解釋這種超快反應：衣藻中的光反應過程必定比人眼中的要簡單得多 。 1990年代初他提出一個假說，單一蛋白質複合物既能捕捉光又能作為離子通道。然而 ，他的提議卻遭到了質疑。當時研究員已經知道許多不同類型的離子通道，但沒有一種能 獨立對光做出反應。 為了驗證他的假設，黑格曼試圖分離衣藻的光敏蛋白。然而這說來容易做來難。當藻類眼 點中的蛋白質脫離其自然環境後，它們變得不穩定且容易受損，這使得研究變得困難。然 而在千禧年之交，經過多年挫折，研究小組取得了令人矚目的發現。日本研究員繪製了衣 藻的DNA圖譜並公佈了數千個基因的遺傳密碼。其中黑格曼團隊發現了兩個與已知的光捕 獲蛋白基因具有顯著相似性的基因。這兩個基因中是否就包含他們正在尋找的蛋白質的編 碼呢？ 為了解答這個問題，黑格曼聯繫了他在法蘭克福馬克斯普朗克生物物理研究所的同事格 奧爾格納格爾，他擁有必要的知識，而這將徹底改變神經科學。 赫格曼和內格爾發現了一種非凡的蛋白質 納格爾利用青蛙卵細胞研究蛋白質。當他獲得衣藻的兩個基因後，他分別將它們的拷貝注 射到不同批次的青蛙卵中，這些卵隨後開始大量產生這兩種未知蛋白質。這些蛋白質最終 出現在卵細胞表面的細胞膜上。納格爾得以研究它們的功能，並很快發現黑格曼十年前提 出的假設是正確的：這些新發現的蛋白質是離子通道，在光照下會打開。 這些蛋白質分別被命名為通道視紫質-1和通道視紫質-2。我們將暫且略過第一種，而將重 點放在第二種上，正是第二種為光遺傳學鋪平了道路。 藻類蛋白能活化人體細胞 正如黑格曼的實驗一樣，納格爾對通道視紫質-2的表徵表明，它對光脈衝的反應異常強烈 且迅速。在0.2毫秒內蛙卵細胞表面便打開了一個通道。帶正電荷的離子隨後流經此通道 ，產生電訊號。 黑格曼和納格爾意識到他們取得了一項革命性發現。他們將視紫質-2基因導入人類胚胎腎 細胞和倉鼠腎細胞進行測試。結果發現，這些細胞對光敏感：當暴露於光線下時，它們會 產生電訊號。 2003年黑格曼和納格爾發表了他們的實驗結果。他們提出，通道視紫質-2可以作為強大的 工具，利用光在細胞內產生電脈衝。此後史丹佛大學的一位年輕科學家接手了接力棒。 與精神病患的會面對戴瑟羅斯來說具有決定性意義 90年代卡爾戴瑟羅斯開始學醫時，曾考慮成為神經外科醫生，但他的部分培訓是在精神科 診所完成的。在那裡他被病人的痛苦和他們對幫助的渴望深深觸動。同時他開始思考，為 什麼不同人的大腦運作方式會如此不同？為什麼憂鬱症患者難以感受到快樂？自閉症或精 神分裂症的妄想症又是由什麼引起的？ 在攻讀醫學學位的同時，他也獲得了神經科學博士學位。在實驗室裡他使用薄薄的腦組 織切片並在培養皿中進行研究。他的研究取得了一些重要的發現，但他意識到，為了理 解他在臨床上遇到的疾病，他需要研究活體大腦中神經細胞的功能。 其他研究人員也在嘗試開發能夠像弗朗西斯克里克提出的控制特定神經細胞活動的方法。 然而他們中的許多人擔心把時間和金錢浪費在看似不切實際的夢想上。戴瑟羅斯意識到他 必須承擔失敗的風險；他當時能夠為病人提供的治療很少有效而且常常會產生嚴重副作用 。如果他想找到更好的治療方法，就需要對大腦有更深刻的理解。 成功將藻類蛋白導入神經細胞 在戴瑟羅斯組建了自己的研究團隊後他們開始尋找能觸發神經細胞電脈衝的蛋白質。他們 測試了許多候選蛋白，當戴瑟羅斯聽說視紫質-2被發現後，他寫信給格奧爾格詢問是否可 以獲得編碼該蛋白的DNA。 當DNA送到戴瑟羅斯的實驗室後，他將其導入培養皿中培養的大鼠神經細胞。他擔心這些 敏感的神經細胞會受到外源基因的負面影響，但它們開始產生通道視紫質-2且未出現任何 明顯問題。當研究團隊用藍光照射這些神經細胞時，細胞立即產生了反應。藍光誘發了一 種神經訊號，可以傳遞到其他神經細胞。 2005年戴瑟羅斯的研究團隊發表了他們的研究結果。他們取得了一項決定性的里程碑成果 ，儘管戴瑟羅斯明白，在他實現目標—控制活體動物神經細胞的活動之前還有很長的路要 走。 利用光遺傳學方法控制活體大腦中的神經細胞 卡爾等人之後開始了多項合作，他們也意識到了這項發現的巨大潛力。在戴瑟羅斯實驗室 的引領下研究員很快就發現了更多能夠開啟和關閉神經細胞的蛋白質，這些蛋白質會被不 同波長的光激活。 2006年這種新方法被命名為光遺傳學。一年後戴瑟羅斯成功活化了活體小鼠大腦中的神經 細胞。他的研團隊將通道視紫質-2基因導入運動皮質（大腦中控制運動的區域）的特定神 經細胞類型。然後他們透過顱骨上的小孔將一根細光纖插入大腦並用光纖照射這些神經細 胞。這使得他們能夠控制小鼠鬍鬚的運動。 同年戴瑟羅斯與其他研究人員合作，利用光遺傳學技術以可控的方式喚醒了熟睡的小鼠。 研究團隊將通道視紫質-2導入一種他們新發現的神經細胞中，懷疑這種神經細胞能夠控制 老鼠的覺醒。當他們用光照射這些神經細胞時，小鼠醒了過來，證實了他們的假設。 另一項光遺傳學早期著名的研究成果發表於2012年。戴瑟羅斯與利根川進（1987年諾貝爾 免疫學獎得主）合作，成功啟動了記憶痕跡－記憶形成時產生的特定神經路徑模式。研究 員觀察了小鼠在恐懼狀態下的大腦活動並記錄了哪些神經細胞似乎參與了這種體驗記憶的 形成。之後當他們重新激活這些神經細胞時，小鼠表現出了恐懼的跡象，儘管當時它們並 未處於危險之中。這是研究人員首次能夠精確證明特定記憶所需的神經細胞。 神經科學的新紀元 激活大腦中特定類型神經細胞的能力從根本上改變了我們對這個神奇器官的理解。成年人 的大腦大約有900億個神經細胞，每個神經細胞都與其他神經細胞形成數千個連結。在許 多情況下一個神經細胞發出的路徑會延伸到大腦完全不同的區域，而控制完全不同生理功 能的神經細胞之間也可能緊密交織在一起。 由於光遺傳學技術，研究員現在可以精確地發現複雜神經束中哪些神經細胞控制著不同的 腦功能。例如，他們已經識別出控制疼痛感、社交行為、口渴、食物攝取、獎賞和注意力 的神經迴路。他們還發現了負責多種功能的神經細胞，從控制晝夜節律到在免疫系統活化 時引發發燒。 當研究員研究更複雜的行為，例如老鼠如何照顧幼崽時，他們發現一個行為的各個組成部 分可以由不同神經迴路控制。例如，一個迴路控制小鼠如何將幼崽聚集到巢穴中，另一個 迴路則調節它們梳理幼崽的方式。 光遺傳學也可以用於繪製大腦以外的神經系統和細胞功能圖譜。戴瑟羅斯已經證明，心律 會影響我們的情緒；如果心臟被迫更努力工作，就會加劇焦慮感。其他研究人員也發現了 腸道中的特定細胞，這些細胞可以解釋為什麼有些人寧願吃糖而不是甜味劑，這只是眾多 例子中的幾個。 期待新的醫療手段 人們曾寄望用光遺傳學技術所獲得的知識能夠帶來新的醫療方法，而如今這項希望已開始 實現。此方法使人們對憂鬱症、焦慮症、精神分裂症、阿茲海默症和帕金森氏症等精神和 神經疾病的特徵有了更深入的了解。 研究員也邁出了將光遺傳學應用於醫療領域的第一步。在正在進行的臨床試驗中他們試圖 幫助因視網膜色素變性（一種會破壞眼球視桿細胞和視錐細胞的疾病）而失明的患者恢復 視力。當他們將一種類似通道視紫質的蛋白質植入一位盲人的視網膜後，該患者恢復了一 些視力。在配戴特製的發光眼鏡後，該患者能夠辨別並抓取桌上的物體。 人們也寄望光遺傳學能夠改良人工耳蝸。目前，這些植入體使用電刺激聽覺神經。如果能 夠改用光遺傳學，植入體或許就能更精確地活化聽覺神經。 光遺傳學：神經科學領域的一項變革性方法 2026年諾貝爾生理學或醫學獎得主的發現催生了一種極其強大的工具，徹底改變了神經科 學。光遺傳學正不斷揭開人類最大謎團之一：大腦如何運作。 --

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