本文来自微信公众号：知识分子，作者：王承志，责编：夏志坚，题图来自：视觉中国
光遗传学被认为是一项注定要得诺奖的技术（相关文章：《光遗传学：一项注定要得诺贝尔奖的技术》）。
刚刚，2026诺贝尔生理学或医学奖公布，光遗传学领域的几位科学家彼得·黑格曼（Peter Hegemann）、卡尔·代塞尔罗思（Karl Deisseoth）、格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel）获得该奖。
而实际上，对于光遗传学的发展有重要贡献的科学家不止他们三位。“知识分子”特撰文介绍该领域的发展。
彼得·黑格曼（Peter Hegemann）
黑格曼于1954年出生于德国西部的明斯特。1984年在慕尼黑获得了博士学位，他博士期间的主要工作是对卤代视紫红质的结构和功能进行研究。1984年至1985年，黑格曼在迪特·奥斯特尔赫特（Dieter Oesterhelt）的实验室从事博士后研究。1986年，黑格曼在德国马普所建立了自己的实验室。2004年起，担任柏林洪堡大学教授。
黑格曼与格奥尔格·纳杰尔（Georg Nagel）一起发现了通道视紫红质，这是直接光门控离子通道的一个家族，这一发现开辟了光遗传学的新领域。黑格曼的研究小组还对通道视紫红质进行了很多分子工程的改造，使得科学家能较为容易地利用光来操纵神经元和其他细胞的活性。
卡尔·代塞尔罗思（Karl Deisseroth）
代塞尔罗思1971年出生于美国。在哈佛大学获得生物化学学士学位后，1998年在斯坦福大学获得神经学博士学位。2004年，他在斯坦福大学组建了自己的实验室。
2005年，代塞尔罗思实验室的博士后爱德华·博伊登（Edward Boyden）和学生张锋等共同发表了一篇论文，首次利用通道视紫红质在神经细胞上实现了毫秒级动作电位的控制。2006年，代塞尔罗思将这种方法命名为 “光遗传学”。他们的方法很快被广泛应用于生物学各个领域，使生物学家可以用光控制各种生命活动。
格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel）
格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel），德国生物物理学家，1953年8月24日出生于德国魏恩加滕（Weingarten）。他本科在康斯坦茨大学（University of Konstanz）学习生物学和生物物理学，期间师从后来长期合作的生物物理学家 Ernst Bamberg；毕业后一度还在瑞士中学任教。1984年，他开始在法兰克福大学和马克斯·普朗克生物物理研究所攻读博士，1988年获得博士学位。此后赴美国，在耶鲁大学和洛克菲勒大学从事约5年的博士后研究。
以下为正文：
大脑是人最复杂的器官，人的感觉、记忆、思考、运动等诸多生理活动，以及各种神经系统疾病都与神经元的功能息息相关。多年以来，理解各种神经元（神经细胞）的具体功能一直是神经生物学的中心研究领域。特异性地控制神经元活动对神经生物学家具有无法抵挡的吸引力。如果能特异性地激活一类神经元，那么就可以通过观察激活后的生理现象来推测其功能。同理，如果能特异性地抑制一类神经元，则可以推测这类神经元对哪些生理活动是必须的。
神经生物学家们尝试过各种方法来达到这个目标。比如，用微电极来刺激神经元，或者使用化学物质来模拟或者拮抗神经递质。但这些方法都有难以克服的缺陷：微电极控制的精度不够，比如不能特异性地控制一类神经元；化学物质控制神经元的速度难以控制，很难在毫秒级别进行操作。
弗朗西斯·克里克（Francis Crick）在1999年在圣地亚哥的加利福尼亚大学的一场讲座中就提到了可以使用光来选择性地精确控制大脑细胞不同亚型的神经活动。但该设想当时未能实现。2002年1月，奥地利神经科学家格罗·米森伯克（Gero Miesenböck）发表了一项重要的工作。他的团队把果蝇三个蛋白（rhdopsin，arrestin-2，G蛋白ahpha亚基）表达在脊椎动物的神经元中，第一次实现了使用光来控制神经活动 [1]。尽管这个技术发表时还很不成熟，例如需要较长的时间来实现神经活动的开关，但已经为光控神经系统打开了大门的一角。
德国雷根斯堡大学彼得·黑格曼（Peter Hegemann）教授在研究绿藻时发现，绿藻的光响应时间极快，难以用经典的G蛋白偶联动物视紫红质来解释。于是，他和法兰克福马克斯普朗克研究所的电生理学家格奥尔格·纳杰尔（Georg Nagel）合作研究了绿藻的光敏蛋白。
这次合作的结果让他们非常意外。他们发现了绿藻居然有一种能将感光和质子泵偶联起来的视紫红质，这样的视紫红质以前从来没有人报道过。他们给这种蛋白取名为 Channelrhodopsin-1（ChR1），这个词由离子通道（Channel）和视紫红质（Rhodopsin）组合而成。他们还在爪蟾的卵细胞中表达了这种蛋白，发现光照可以引起细胞的静息电位发生变化。这项开创性的工作发表在了2002年6月的 Science 上 [2]。
第二年，纳杰尔和黑格曼又发现了一个新的通道蛋白——ChR2 [3]。这一次，他们不但做了更深入的机制研究，而且把ChR2首次在人的细胞（HEK）中表达。作者在文章结论中写道：“ChR2能够成为控制细胞内钙离子浓度或者细胞膜极化水平的有用工具，特别是在哺乳动物细胞中”。
ChR1和ChR2的发现，让一些神经生物学家眼前一亮 —— 这或许就是使用光来控制神经元的理想介质。而光遗传学的大门从这里也正式开启了。
博伊登和代塞尔罗思
2000年，爱德华·博伊登（Edward S. Boyden）来到斯坦福大学，在钱永佑（Richard Tsien，钱永健的哥哥）和詹妮弗·雷蒙德（Jennifer Raymond）教授的指导下，研究小脑神经回路。在钱的实验室，博伊登遇到了卡尔·代塞尔罗思（Karl Deisseroth）。代塞尔罗思之前在斯坦福大学学习神经生物学，并在斯坦福医院当过精神科住院医师。工程背景的博伊登和医学背景的代塞尔罗思经常在一起讨论当时神经生理学的研究技术。多次的思想碰撞让两位年轻人意识到，当时的技术还有很大局限，神经生物学家需要更好的工具来控制大脑中特异的神经元，他们决定开发这样的工具。
他们最初设想可以使用磁场来控制神经元。他们设想在神经元中表达机械拉力敏感的离子通道，然后把微小的磁珠特异性连接到这种通道蛋白上，这样就可能通过外部磁场来控制神经元的电活动。但是，无论是找到合适的机械敏感离子通道基因还是把磁珠连接到通道蛋白上，技术难度都非常大。
后来，博伊登在阅读一篇1999年发表的论文中得到了灵感。这篇论文报道了在嗜盐碱单胞菌中发现了一种盐细菌视紫红质（halorhodopsin），能够在大脑的氯离子浓度下工作。这种视紫红质可以在受光照时激活离子通道。博伊登意识到使用光来控制离子通道比磁场更容易实现。他写邮件给这篇论文的作者 Janos Lanyi，索要了这个蛋白的基因。但后来由于博伊登忙于学位论文，这件事情被晾在了一边。
2003年秋天，代塞尔罗思即将独立成为PI，组建自己的实验室。他写邮件给博伊登，希望博伊登博士毕业后可以去他的实验室做博后，一起开展之前讨论的使用磁场控制神经元的项目。 从2003年10月到2004年2月，代塞尔罗思和博伊登为即将开始的磁控神经元项目阅读了大量的文献。恰在此时，纳杰尔，黑格曼和班贝格（Bamberg）及同事们在 PNAS 期刊上发表了前文提到的ChR2的论文。博伊登阅读这篇论文时立刻意识到，ChR2拥有他们设想过的一切特性：在一个蛋白中把输入信号（光）和输出（去极化神经细胞）偶联起来。
事实上，同时意识到ChR2这一特性可以用于光控神经细胞的，远不止博伊登一人，后文将进一步描述。
博伊登写信给代塞尔罗思，希望能联系纳杰尔索要ChR2的克隆。代塞尔罗思于2004年3月联系了纳杰尔。那时，纳杰尔已对GhR2做了一些改良，比如有助于稳定结构的H134R突变，以及将ChR2连接上可用于示踪的YFP。纳杰尔把这些改良后的克隆寄送给了代塞尔罗思和博伊登。
博伊登当时还在钱永佑的实验室做博士课题。但从2004年7月开始，博伊登几乎把博士课题放在了一边，专心做起了ChR2在神经元中表达的项目。8月4日的凌晨1点，博伊登在钱永佑的实验室里用蓝光照射表达了ChR2的神经元，成功观察到了去极化和动作电位（图六）。[4] Boyden在实验室里兴奋地折腾了一整夜，早上，他发邮件给代塞尔罗思告诉了他的发现，并写道：“很累，但很爽”（Tired， but excited）。代塞尔罗思回信：“太棒了（This is great）！！！！！” 五个感叹号显示了他当时的兴奋心情。
Boyden记录到的神经电信号
2005年初，张锋（就是后来最早在哺乳动物细胞中使用CRISPR做基因编辑的那位）来到代塞尔罗思实验室开始了研究生生涯。他改进了博伊登的表达体系，使用慢病毒在神经元中表达ChR2，大大增加了该系统的稳定性。
2005年4月19日，博伊登和代塞尔罗思把他们的发现投稿给 Science 杂志，但以没有具体科学发现为由被拒稿。5月5日，他们把手稿投到了Nature 杂志，Nature 建议把稿件转给 Nature Neuroscience 杂志，经过一轮返修，Nature Neuroscience 接受了这篇文章。 [5]
失落的潘卓华
自从黑格曼等在2003年发表了光敏通道蛋白ChR1和ChR2，很多科学家都意识到这类光控通道蛋白有极大的应用潜力。一场无形的竞争也在悄然展开。
美国底特律的韦恩州立大学华人神经科学家潘卓华是一位视觉专家，他一直致力于为盲人恢复视力的研究。他在2000年早期即构想将光敏蛋白表达在盲人的眼内，以代替视杆细胞和视锥细胞的缺失。
潘卓华 | 图源：kresgeeye.org/
2003年ChR1和ChR2论文的发表，潘卓华敏锐地发现这可能就是他一直在寻找的光敏蛋白。他与萨鲁斯大学（Salus University）的 Alexander Dizhoor 教授合作，在神经节细胞中表达ChR2。Dizhoor 教授的团队设计合成了光敏通道蛋白的DNA，并添加了示踪的荧光蛋白—— 这与纳杰尔对ChR2的改良非常类似。
同时，潘卓华使用病毒在细胞中表达ChR2，这与张锋在代塞尔罗思实验室的改进如出一辙。 潘卓华在神经节细胞中表达ChR2非常成功，他利用这一成果申请了美国国立卫生研究院（NIH）的资助。2004年7月，潘卓华将载有ChR2基因的病毒注入给小鼠，5周后他通过荧光蛋白确认了ChR2在视网膜细胞上的表达。而当他打开照射灯时，插入视网膜的电极显示了明显的电活性。
这显然是个了不起的实验，它第一次证明了ChR2在活体动物中的活性，并有着极大的应用价值——有可能成为治愈盲人的一种方法。2004年11月25日，潘卓华和他的合作者 Dizhoor 将这些发现投递给 Nature 杂志。与代塞尔罗思的文章遭遇一样，Nature 建议将文章改投到旗下子刊 Nature Neuroscience。
然而潘的论文在 Nature Neuroscience 的遭遇与代塞尔罗思完全不同，该期刊拒绝了潘的文章。后来代塞尔罗思的论文发表后，潘曾致信该期刊询问为何接受代塞尔罗思的文章而拒绝自己的，期刊给出的理由是代塞尔罗思的文章是开发了一种新技术，而非一个科学发现。令人匪夷所思的是，Nature 拒绝代塞尔罗思文章的理由正是“没有具体科学发现”。
潘的文章在 Nature Neuroscience 被拒绝后，于2005年初将文章投递到 Neuroscience 期刊，然而依然被拒稿。2005年5月，潘卓华在佛罗里达参加视觉与眼科学研究协会大会时，简短报道了他的这项成果。当时他的论文还没有发表，这是该工作第一次公布于众。这个报道比代塞尔罗思的文章发表早了3个月。
潘的论文几经周折，直到2006年4月才在 Neuron 杂志获得发表 [6]。但这篇文章所受的关注远远不如代塞尔罗思等在8个月前发表的论文。
博伊登和代塞尔罗思其后获得的资助、荣誉和奖项远非潘卓华能比，而潘并非唯一在竞争中处于劣势的选手。2005年，日本的 Hiromo Yawo 实验室和美国的凯斯西储大学的林恩·兰德梅赛（Lynn Landmesser）和 Stefan Herlitze 都发表了类似的结果，他们比博伊登和代塞尔罗思文章只晚了两三个月。科学的发展常常伴随着科学家竞争，这是科学的常态。每一项科学成果的背后，故事主角们都有不同的悲喜。但无论结局如何，每一位探索在知识边缘的科学家都值得我们深深的敬意。
光遗传学的发展和应用
从2005年开始，光遗传学开始了飞速的发展，各种应用层出不穷。不但神经生物学家把它作为一种趁手的工具，其它领域的科学家也使用同样的原理来尝试用光控制各种生命活动，例如蛋白相互作用，或者是基因转录。 最值得注意的是光遗传学在临床上的潜在应用。潘卓华首先将光遗传学用于临床试验，来治疗视网膜色素变性（Retinitis Pigmentosa）导致的失明。
2016年，达拉斯的一位女性接受了全球第一个光遗传学的治疗试验。根据Clinical Trial显示的数据，这项临床试验的安全性试验（I/II期）目前还在进行中，预计在2024年9月初步完成。我们也期待光遗传学早日造福失明患者。
同时，还有一些团队在尝试使用相同的原理来治疗失聪、疼痛、药物成瘾等疾病。光遗传学也将走出实验室，成为医生手中的 “阿拉丁神灯”，只要点亮即可满足治愈疾病的愿望。
参考文献：
1.B.V. Zemelman， G.A. Lee， M. Ng and G. Miesenbock， Selective photostimulation of genetically charged neurons， Neuron 33 (2002)， no. 1， 15-22.
2. G. Nagel， D. Ollig， M. Fuhrmann， S. Kateriya， A.M. Musti， E. Bamberg and P. Hegemann， Channelrhodopsin-1: A light-gated proton channel in green algae， Science 296 (2002)， no. 5577， 2395-2398.
3. G. Nagel， T. Szellas， W. Huhn， S. Kateriya， N. Adeishvili， P. Berthold， D. Ollig， P. Hegemann and E. Bamberg， Channelrhodopsin-2， a directly light-gated cation-selective membrane channel， Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 100 (2003)， no. 24， 13940-13945.
4. E.S. Boyden， A history of optogenetics: The development of tools for controlling brain circuits with light， F1000 biology reports 3 (2011)， 11.
5. E.S. Boyden， F. Zhang， E. Bamberg， G. Nagel and K. Deisseroth， Millisecond-timescale， genetically targeted optical control of neural activity， Nature neuroscience 8 (2005)， no. 9， 1263-1268.
6. A. Bi， J. Cui， Y.P. Ma， E. Olshevskaya， M. Pu， A.M. Dizhoor and Z.H. Pan， Ectopic expression of a microbial-type rhodopsin restores visual responses in mice with photoreceptor degeneration， Neuron 50 (2006)， no. 1， 23-33.
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