2026年諾貝爾生理學或醫學獎頒給光遺傳學，藻類蛋白讓光控制神經元

一種幫助單細胞池塘藻類游向光線的蛋白質，如今讓科學家得以用一道藍光閃光開啟或關閉某一類腦細胞。卡羅林斯卡學院諾貝爾大會（Nobel Assembly at Karolinska Institutet）已將生理學或醫學獎頒給發現此蛋白質並將其轉化為工具的三位研究者：史丹佛大學（Stanford University）與霍華德·休斯醫學研究所（Howard Hughes Medical Institute）的卡爾·戴瑟羅斯（Karl Deisseroth）、柏林洪堡大學（Humboldt University of Berlin）的彼得·黑格曼（Peter Hegemann），以及維爾茨堡大學（University of Würzburg）的格奧爾格·納格爾（Georg Nagel）。

這項方法稱為光遺傳學（optogenetics），它改變了腦科學研究能證明的範疇。神經科學家過去已能觀察到恐懼或飢餓時哪些腦區變得活躍，但很少能證明是某一特定類型的神經元引發了這種感受。有了光遺傳學，他們可以在活體動物身上開啟這些細胞，觀察行為出現，或關閉它們，觀察行為停止。實驗室自此利用這項技術定位了記憶、疼痛、口渴、睡眠與社交行為的神經迴路，目前也正測試作為某一種失明的治療方法。

委員會表彰這三人「因發現光控離子通道與光遺傳學」。他們將平分1200萬瑞典克朗。諾貝爾生理學或醫學委員會主席佩爾·斯文尼森（Per Svenningsson）表示：「光遺傳學提供了我們過去只能夢想的方式來繪製大腦地圖。」

一種比你的眼睛快20倍的藻類

故事始於衣藻（Chlamydomonas），一種由單一細胞組成的綠藻。將它攪入培養皿中，照亮一側，那抹淡綠色便會朝燈光漂去。藻類透過眼點（eyespot）感知光線，眼點是一個微小的橙色斑點，含有視黃醛（retinal），也就是我們自己眼睛中捕捉光線的同一種分子。

當時任職於馬克斯·普朗克生物化學研究所（Max Planck Institute for Biochemistry in Martinsried）的黑格曼，用精細電極測量了眼點，發現光抵達後半毫秒便出現電脈衝。在人眼中，光會觸發一連串化學步驟，之後離子通道才開啟，整個過程至少需要10毫秒。藻類比這快了二十倍以上。

黑格曼的解釋很簡單：一種蛋白質必須同時承擔兩個工作——捕捉光線並開啟讓帶電粒子通過的孔道。同事們對此存疑，因為已知的離子通道沒有哪個能單獨對光做出反應。當他的團隊試圖從眼點中提取這種蛋白質時，它分解了，這個想法因此停滯了數年。

他們如何做到

轉機出現在日本研究者釋出衣藻的基因序列之後。黑格曼的團隊發現了兩個類似已知光捕捉蛋白質的基因，並將它們寄給法蘭克福的馬克斯·普朗克生物物理研究所（Max Planck Institute for Biophysics）的納格爾。

納格爾將每個基因注入青蛙卵中，這是把卵變成外源蛋白質工廠的標準技巧。蛋白質附著在卵的表面，當納格爾用光照它們時，它們開啟了。帶正電的離子流過，產生電流。黑格曼的假設是對的。團隊將這兩種蛋白質命名為通道視紫紅質-1（channelrhodopsin-1）和通道視紫紅質-2（channelrhodopsin-2），而第二種在光脈衝後0.2毫秒內便開啟。

在人類胚胎腎細胞和倉鼠細胞中，通道視紫紅質-2在光照下也產生了電訊號。這種蛋白質表現得像一個可攜式開關：任何攜帶該基因的細胞都會對光做出反應。

戴瑟羅斯尋找的正是這個。他受過精神科醫師訓練，在臨床工作中深刻感受到現有治療對憂鬱症或思覺失調症患者的幫助有限，因此他想研究活體大腦中的迴路，而不是薄薄的組織切片。他寫信給納格爾索取通道視紫紅質-2基因，將其插入培養皿中生長的大鼠神經元，並暴露在藍光下。神經元聽從指令放電，訊號傳遞給鄰近細胞。

他的團隊隨後將基因送入活體小鼠運動皮層中的某一種細胞類型，並透過顱骨上的小孔穿入一根細光纖。光脈衝讓動物移動鬍鬚。在另一項實驗中，針對疑似清醒迴路的光照喚醒了沉睡的小鼠。

為什麼光勝過電極和藥物

電極會刺激尖端附近的所有神經元，無論其類型為何。藥物會擴散到組織中，作用時間長達數分鐘。光遺傳學同時在兩方面精準：基因只進入選定的細胞類型，而光能在毫秒內切換這些細胞，與真實神經訊號的速度相匹配。法蘭西斯·克里克（Francis Crick）曾因DNA雙螺旋結構共享諾貝爾獎，他曾建議光會是控制單一神經元的理想方式，同時承認這個想法聽起來有些牽強。

精準之所以重要，是因為規模。成人腦中約有900億個神經細胞，每個都與數千個其他細胞相連，而功能無關的神經元交錯纏繞在一起。戴瑟羅斯團隊與諾貝爾獎得主利根川進（Susumu Tonegawa）合作，重新啟動了小鼠中儲存恐懼記憶的特定細胞，動物在沒有威脅的地方表現出恐懼。其他團隊繪製了口渴、注意力和發燒的迴路，發現小鼠將幼崽聚攏到巢中與梳理毛髮是由不同迴路控制，並顯示心臟被迫更用力跳動會加劇焦慮。

這項獎項並未解決的事

光遺傳學仍主要是一種研究工具，而非療法。用於人體意味著將外源基因插入人類細胞，通常藉助修飾過的病毒，並將光深入組織，在腦中則需要植入裝置。這兩個步驟在患者身上都尚未常規化，而且人類神經元中攜帶藻類蛋白質的長期安全性尚未確立。

最明確的人體結果範圍狹窄。一名因色素性視網膜炎失明40年的男性，在一隻眼睛中接受了通道視紫紅質基因，並配戴能將光脈衝投射到視網膜上的護目鏡。根據2021年《自然醫學》（Nature Medicine）的病例報告，他恢復了足夠的視力，能定位並數出桌上的物體。一名患者是原理驗證，並非治療廣泛有效的證據，試驗仍在進行中。

這項獎項也為競爭激烈的領域畫下一條界線。諾貝爾規則規定每項獎最多頒給三位得主。2005年首次用通道視紫紅質-2切換神經元的論文，出自戴瑟羅斯實驗室，愛德華·博伊登（Edward Boyden）為第一作者，馮國平（Feng Zhang）和生物物理學家恩斯特·班貝格（Ernst Bamberg）為共同作者。牛津大學的格羅·米森伯克（Gero Miesenböck）更早之前用不同的光敏感系統讓神經元對光做出反應。班貝格、博伊登和米森伯克曾與今年三位得主共享2013年腦科學獎（Brain Prize），但他們不在諾貝爾獎之列。

從青蛙卵到斯德哥爾摩

通往獎項之路貫穿幾篇論文。納格爾、黑格曼及同事於2002年在《科學》（Science）描述了通道視紫紅質-1，並於2003年在《美國國家科學院院刊》（PNAS）描述了通道視紫紅質-2。戴瑟羅斯團隊於2005年在《自然神經科學》（Nature Neuroscience）報告了光控神經元，該方法於2006年得名，2007年首次在活體小鼠腦內控制神經元，2012年與利根川進合作的恐懼記憶實驗完成。

關於2026年諾貝爾醫學獎的常見問題

誰贏得了2026年諾貝爾生理學或醫學獎？

史丹佛大學與霍華德·休斯醫學研究所的卡爾·戴瑟羅斯、柏林洪堡大學的彼得·黑格曼，以及維爾茨堡大學的格奧爾格·納格爾。他們因發現光控離子通道與光遺傳學而獲表彰，並平分1200萬瑞典克朗。

簡單來說，什麼是光遺傳學？

這是一種用光控制特定神經細胞的方法。研究者將光敏感蛋白質（如通道視紫紅質）的基因加入某一類型的神經元中。照射正確顏色的光，便能在毫秒內開啟或關閉這些細胞，讓科學家測試每種細胞類型的功能。

光遺傳學用於治療患者嗎？

尚未成為核准療法。臨床試驗正在測試它是否能恢復因色素性視網膜炎失明者的部分視力，一名接受治療的患者已能藉由特殊護目鏡定位並數出物體。研究者也期望它能讓人工耳蝸比電刺激更精準。

三位得主將於12月10日在斯德哥爾摩的諾貝爾獎頒獎典禮上接受獎章和證書。開啟這一切的藻類仍在池塘水中游向光線，而它眼點中的蛋白質如今在世界各地的實驗室中聽從指令開啟。

參考文獻：Nagel et al., “Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel,” PNAS, 2003. DOI: 10.1073/pnas.1936192100. Boyden et al., “Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity,” Nature Neuroscience, 2005. DOI: 10.1038/nn1525

標籤: 諾貝爾獎, channelrhodopsin, Georg Nagel, Karl Deisseroth, Peter Hegemann, 光遺傳學