光遗传学：用光探索大脑的奥秘

——2026年诺贝尔生理学或医学奖解读与展望

沈细亚¹ 宋伟宏^{1, 2*}

1. 温州医科大学附属第一医院老年医学中心/浙江省阿尔茨海默病重点实验室/浙江省精神心理疾病临床医学研究中心/老年研究院

2. 瓯江实验室（再生调控与眼脑健康浙江省实验室）

作者简介

宋伟宏 加拿大健康科学院院士，瓯江实验室（浙江省实验室）主任，温州医科大学学术副校长，加拿大阿尔茨海默病首席研究员（2002—2021）。长期聚焦阿尔茨海默病研究。在Science、Nature Aging等杂志发表学术论文多篇。荣获中国政府“友谊奖”（2011）等荣誉。

沈细亚 博士，温州医科大学老年研究院助理研究员，硕士研究生导师。主要从事神经精神疾病及神经退行性疾病研究。主持国家自然科学基金青年科学基金项目（C类）。在The Journal of Clinical Investigation、Aging Cell、Journal of Neuroscience等国际期刊发表学术论文多篇。

摘 要

2026年诺贝尔生理学或医学奖授予Karl Deisseroth（卡尔·戴塞洛斯）、Peter Hegemann（彼得·黑格曼）和Georg Nagel（格奥尔格·纳格尔），表彰其在光门控离子通道与光遗传学方面的发现。获奖者们揭示了藻类通道视紫红质的光门控离子传导特性，并推动其在神经元活动调控中的应用，实现了遗传学靶向与毫秒级光学调控的结合。该成果为神经环路研究提供了精准干预手段，推动研究者聚焦观察神经活动与行为的关联，为解析记忆、情绪和行为的神经基础、揭示脑疾病机制及探索新的干预策略提供了重要支撑。我国科研团队在情绪、认知、抑郁相关环路机制等方面取得了一系列成果，未来需进一步强化原创光控工具研发与跨学科协作，促进基础研究与临床转化衔接。

关键词：光遗传学；通道视紫红质；神经环路；脑功能

1 研究背景：如何精准调控神经细胞

大脑如何产生记忆、情绪和行为，是脑科学长期关注的问题。神经元种类繁多、相互连接，即使位于同一脑区，不同的细胞类型也可能承担不同功能。传统研究方法面临一些局限性，如电刺激可以迅速改变神经活动，却难以区分刺激范围内的不同细胞类型；药理学方法能够作用于特定受体，但难以实现毫秒级调控。因此，如何同时获得细胞选择性和时空精度，成为研究神经环路功能的重要难题。光遗传学将遗传学靶向与光学调控结合，为这一难题提供了有效解决途径。其核心思路就是将光敏蛋白的编码基因导入特定神经元，使这些细胞获得对光响应的能力，从而用光来精确控制它们的活动。

2 获奖原因：从藻类感光到用光调控大脑

这一突破的重要起点，是对单细胞藻类感光机制的探索。衣藻没有神经系统，却能够根据光照条件调整运动。2002年，Peter Hegemann和Georg Nagel教授的团队发现衣藻（Green Algae）中的通道视紫红质1（Channelrhodopsin-1，ChR1）兼具感光和离子传导功能，可以将光刺激直接转化为跨膜离子流^[1]。2003年，Nagel等进一步证实，通道视紫红质2（Channelrhodopsin-2，ChR2）在非洲爪蟾卵母细胞和哺乳动物细胞中仍能作为光门控阳离子通道发挥作用^[2]。这意味着来自藻类的感光蛋白可以成为调节其他细胞电活动的工具。

同时，光控神经元的探索也在推进。2002年，Gero Miesenböck团队通过表达果蝇感光相关基因，已使脊椎动物神经元获得光响应能力^[3]。ChR2则提供了更简洁、快速的实现途径。2005年，Karl Deisseroth团队证明，在培养的哺乳动物神经元中表达ChR2，可通过短暂光脉冲精确诱发动作电位^[4]。2007年，Deisseroth团队进一步开发了光驱动氯离子泵等抑制性工具，拓展了双向调控神经活动的能力^[5]。这些研究将微生物感光机制与神经科学的关键需求连接起来。其获奖价值既在于发现了可由光直接控制的离子通道，也在于将其发展为能够选择性、快速干预神经活动的方法。

3 科学意义：用光揭示大脑如何工作

光遗传学使研究者能够在特定时间窗口内干预特定的神经元群体，从而检验其活动与行为之间的因果关系。2012年，Susumu Tonegawa团队标记小鼠恐惧学习过程中活跃的海马齿状回细胞，随后在另一环境中用光重新激活这些细胞，诱发恐惧记忆相关的僵直反应，为记忆痕迹的细胞基础提供了因果证据^[6]。这些研究表明，光遗传学不仅能够改变神经活动，还能帮助辨别特定细胞群在生理功能与行为中的作用。

在临床上，光遗传学还为疾病治疗提供了新的思路。2021年报道的一项研究显示，一名视网膜色素变性失明患者接受编码光敏蛋白的病毒载体眼内注射后，借助专用光刺激眼镜恢复了部分物体感知能力^[7]。这一结果提供了光遗传学的临床应用价值，但其疗效与长期安全性仍需更多临床研究评价。对于复杂脑疾病如帕金森病、阿尔茨海默病等，精准解析异常环路、为药物和其他神经调控方法提供依据，同样是光遗传学的重要医学贡献。

4 国内研究：成果与展望

我国科研人员既参与了光遗传学早期工具开发，也推动了其在神经环路研究中的应用。王立平团队^[5]参与了上述神经活动双向光控技术的研发。此后，其团队利用光遗传学、神经环路示踪等方法，系统解析了调控恐惧、摄食、睡眠等本能行为的“趋利避害本能生存神经环路”特征^[8]。曹鹏团队^[9]通过操控小鼠上丘PV阳性兴奋性神经元至二叠体旁核的通路，揭示了视觉威胁信息触发恐惧反应的环路基础。胡海岚团队^[10]利用光遗传学等方法，揭示外侧缰核神经元簇状放电在抑郁样行为中的作用，并发现抑制这种放电是氯胺酮产生快速抗抑郁样效应的重要机制之一。这些进展体现了我国在环路机制研究和跨学科技术创新方面的积累。未来，我国可在已有研究基础上进一步加强原创光敏蛋白、细胞类型靶向递送的协同研发。在临床转化方面，需围绕具体疾病场景解决如何实现光刺激向深部脑组织的有效递送，探究光敏蛋白长期表达对细胞功能的潜在影响，探索人工智能、脑机接口与光遗传学技术协同干预重大脑部疾病的可行路径，并通过规范的临床研究科学评价干预策略的疗效与安全性。

封面来源：诺贝尔奖官网 https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2026/summary/

参考文献（略）

转载自中国科学基金微信公众号