弄清了如何用光控制脑细胞的科学家获得了今年的诺贝尔生理学或医学奖。卡尔·戴瑟罗思、彼得·黑格曼和格奥尔格·纳格尔因在“光门控离子通道和光遗传学”方面的研究而获奖。
柏林洪堡大学的彼得·黑格曼和维尔茨堡大学的格奥尔格·纳格尔想了解一种名为衣藻的微小单细胞藻类如何感知光。感光并非只有长眼睛的动物才具备：整个生物界中的生物都利用光来探测周围环境并对环境变化作出反应。甚至单细胞生物也有对光作出反应的蛋白质。这些蛋白质被用于朝向或远离光移动、产生能量，以及应对24小时昼夜节律的各种需求。
黑格曼和纳格尔发现，衣藻拥有一种非常精巧的感光机制，这种机制依赖于一种名为通道视紫红质的单一蛋白质。
通道视紫红质嵌入在藻细胞的外膜中。这种蛋白质的一部分朝向细胞外的水，另一部分朝向细胞内部。该蛋白质还含有一种名为视黄醛的小分子，它能够吸收光。
当光照射到通道视紫红质内部的视黄醛时，视黄醛会改变形状。这使通道视紫红质蛋白质也改变形状。这种变化在细胞膜上打开了一条微小的通道。包括钠在内的带正电粒子随后可以从藻类外部的水中流入细胞。带电粒子的这种运动在藻类内部发出信号，帮助它游动。
解决这样一个有趣的生物学问题多么奇妙，但为什么是诺贝尔生理学或医学奖呢？答案在于神经细胞的工作方式。神经细胞利用带电粒子（称为“离子”）跨膜运动来控制其活动。当带正电的粒子流入神经细胞时，它们可以使细胞更加活跃。
研究人员意识到，如果他们能把通道视紫红质放入神经细胞，也许只需用光照射这些细胞就能把它们开启。这正是黑格曼、纳格尔和第三位诺贝尔奖得主、加利福尼亚州斯坦福大学的精神病学家兼生物工程师卡尔·戴瑟罗思后来所做的。
用光开启神经细胞
用光控制神经细胞的能力被称为光遗传学。它已成为一种强大的研究工具，因为科学家可以用它来开启和关闭特定的神经细胞群，并观察会发生什么。
首先，科学家将通道视紫红质的基因递送到他们想要研究的神经细胞中。该基因通常由一种经过改造、不会致病的病毒携带进入细胞。随后细胞会制造通道视紫红质蛋白质，从而使它们对光作出反应。
在小鼠等动物中，科学家可以通过一根细光纤将光照射进大脑。当光到达细胞时，通道视紫红质打开，细胞变得活跃。附近不含这种蛋白质的神经细胞则不受影响。
光可以瞄准大脑中非常小的一部分，并且可以极快地开启和关闭。这使光遗传学成为研究大脑工作原理的强大方法。例如，如果科学家想知道某一特定神经细胞群是否参与记忆、睡眠、感觉或运动等过程，他们可以用光开启这些细胞并观察会发生什么。
在2012年的一项实验中，麻省理工学院的一个团队在特定笼子里对小鼠施加了轻度电击。他们用光遗传学标记了大脑记忆中枢中在该恐惧条件反射实验期间活跃的神经细胞。几天后，在另一个笼子里，他们用光开启那些细胞。小鼠因恐惧而僵住，仿佛它们还记得那次电击。
未被电击的小鼠没有僵住，这表明光重新激活了一段特定记忆。戴瑟罗思是该研究的作者之一。
光遗传学改变了科学家研究大脑和神经系统工作方式的能力。它未来也可能成为一种治疗方法。光遗传学已进入针对视网膜变性患者的早期临床试验。在这些试验中，研究人员将光敏蛋白质引入视网膜中仍然存留的神经细胞，而此时通常负责感光的细胞——视杆细胞和视锥细胞——已经丢失。这可以使存活的细胞对光作出反应，并恢复部分视力。
研究人员还在研究光遗传学最终是否可用于治疗神经系统疾病，包括帕金森病和癫痫。
今年的诺贝尔奖表彰的研究始于一个听起来可能很深奥的问题：衣藻如何游向光？这个问题没有明显的实际重要性。它既没有解决人类健康的紧迫需求，也不是一条明确的致富之路。光遗传学的成功说明，继续仅仅为了理解我们周围的世界而提出问题十分重要，因为无法预测知识将把我们带向何方。
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