看点光遗传学技术诞生记：从藻类发现到活体大脑的精准调控

两位德国科学家从一种追着光游泳的绿色小藻身上找到了感光蛋白，戴塞罗思则把它改造成神经细胞的“光控开关”。这项名为光遗传学的技术，正在改写人类对大脑的理解。 藻类靠细胞表面的“眼点”感光，其中藏着视黄醛这类捕光分子。黑格曼用微小的电极测量衣藻眼点被照亮时的反应，结果令人意外：光照后仅半毫秒，电信号就出现了。 黑格曼只能想到一种解释：藻类的感光过程必定比人眼简单得多。于是，他提出假说：衣藻体内有一个单一蛋白，既能捕获光，本身又是离子通道。 为了验证这个“光控开关”，科学家们走了十余年：眼点里的蛋白一旦离开藻类就变得极不稳定，分离工作屡屡失败。转机出现在世纪之交：衣藻的基因测序数据陆续公开，黑格曼团队从中找到两个与已知捕光蛋白相似的候选基因。 后来，黑格曼又找到了法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所的内格尔。内格尔把两个基因分别注入青蛙的卵细胞，卵细胞随即大量生产这两种未知蛋白。检验结果证实了黑格曼十年前的假说：这些蛋白遇光即开，是名副其实的光门控离子通道。 两人将其命名为“通道视紫红质”（channelrhodopsin，因其与眼睛中感光物质视紫红质同源），其中二号蛋白（ChR2）反应尤其迅猛：蓝光照射后0.2毫秒内通道打开，正离子涌入，电流产生。 更妙的是，把ChR2基因导入人类肾细胞，肾细胞居然也变成了光敏细胞。2003年，两人发表结果并提出：这种蛋白可以成为用光在细胞中触发电脉冲的强大工具。 这完成了1962年诺贝尔奖得主、DNA双螺旋发现者克里克生前的设想：用光控制特定神经细胞。曾被认为非常遥远的科学梦想，至此几乎实现了。 斯坦福的年轻科学家戴塞罗思很烦恼。他学医时本想成为神经外科医生，但精神科病房里患者的痛苦深深触动了他。为什么抑郁症患者这么难感受到快乐？孤独症和精神分裂症的妄想从何而来？他一边读医学院一边拿了神经科学博士，却发现培养皿里的脑片解答不了诊所里的问题。 为此，他写信向内格尔索要ChR2的基因，导入大鼠神经细胞，用蓝光照射，细胞立即产生了神经信号。2005年，这一成果发表；2006年，这项技术被命名为光遗传学。 2007年，戴塞罗思团队将光敏蛋白基因导入小鼠大脑中控制运动的运动皮层，再经颅骨上的小孔伸入一根细光纤，用光照亮这些神经细胞，成功触发了小鼠的胡须运动。同年，研究团队还用光唤醒了熟睡中的小鼠。2012年，他与1987年诺奖得主利根川进合作激活了小鼠的“记忆印记”，首次确切证明哪些神经细胞是某段特定记忆所必需的。 借助它，科学家找到了控制痛觉、社交、口渴、进食、奖励和注意力的神经回路；临床试验中，视网膜色素变性导致的失明患者植入类似光敏蛋白后，借助特殊眼镜已能分辨并抓取桌上的物品。 中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所建成了光遗传技术研发与资源共享平台，光遗传神经调控与神经环路示踪技术体系已辐射境内外超1300家次实验室；其“光控大脑”技术已实现癫痫、帕金森病动物模型的精准干预。 在深圳的光明科学城，脑解析与脑模拟重大科技基础设施2024年12月启动运营、2026年7月宣布正式对外运营，正为脑疾病诊疗与脑机接口产业提供平台支撑。 诺贝尔生理学或医学奖委员会主席佩尔·斯文宁松在新闻稿中说：“光遗传学提供了绘制大脑图谱的机会，这是我们过去只能在梦中想象的。”