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光遗传学拿诺奖，预示脑内物理革命前夜

发布时间：

2026-10-05

光遗传学拿诺奖，预示脑内物理革命前夜

孙作东

每年诺奖公布都会掀起热议。今年诺贝尔生理学或医学奖授予三位科学家：卡尔·戴塞洛斯（Karl Deisseroth，美国斯坦福大学）、彼得·黑格曼（Peter Hegemann，德国柏林洪堡大学）、格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel，德国维尔茨堡大学）。官方颁奖理由原文：for their discoveries concerning light-gated ion channels and optogenetics，表彰他们发现光门控离子通道并开创光遗传学。

彼得·黑格曼最早在绿藻中发现通道视紫红质，找到光控分子开关的源头；格奥尔格·纳格尔完成体外验证，证实光照能调控细胞膜离子进出；卡尔·戴塞洛斯把这套体系引入活体哺乳动物大脑，用基因技术将藻类蛋白转入神经元，搭配颅内光纤，实现对单个神经元的激活与抑制，搭建起完整的光遗传学研究体系。

很多人把这当成攻克脑病的重大疗法。在我看来，要理性看待：光遗传学是非常出色的实验室研究工具，但它只是众多物理调控手段中的一种，不宜过度神化。

它的底层逻辑，是将外源光敏感蛋白转入神经元，再通过光纤导入光线调控神经细胞。光是电磁波的一种，本次诺奖，相当于在全球层面确认：物理信号可以作用于神经细胞膜，打开离子通道。这里需要厘清概念：声音本质属于机械力振动，热本质是红外波段的光，我们常说的声光电磁力热，并非完全独立的六大类别，只是方便大众理解的通俗归纳。电、磁、机械力、电磁辐射（包含可见光、红外热），这些物理刺激，都可以触发离子通道门控，调控神经元兴奋与静息。

一个关键的生理学事实：光、机械力、声波这类外部刺激，属于间接调控，最终都要转化为细胞膜上的电信号，触发电压门控离子通道，神经元才能产生响应。所有物理刺激，最终都要落到电信号层面。如果光可以实现调控，那么电、磁、机械力、热，本质上都属于利用物理手段干预离子通道。光只是载体，最终起作用的环节，依然是生物电。这正是生物电遗传学的核心立足点：神经元活动的本质是生物电现象，离子通道是生物电活动的物质基础。而离子通道的核心，就是离子进出细胞膜的开关机制。不厘清钾离子通道这个核心开关如何开合，任何对神经元的调控研究，都只是停留在表层现象。

这里有一个值得深思的问题：正常哺乳动物神经元，并不依靠光来启闭钾离子通道。在原生状态下，没有光线输入，钾离子通道依然可以自主反复开合。依靠的是什么？就是我们提出的钾离子通道“折纸风车”模型与DNA四聚体模型：细胞膜上钾离子通道如同四叶风车，四聚体协同旋转，以此控制钾离子跨膜流动，自主生成、维持神经元的生物电活动。

光遗传学所使用的，是来自海洋藻类的外源光敏感蛋白。藻类生存环境有自然光，光线可以驱动这个外来蛋白充当离子开关。但这套机制直接平移到哺乳动物大脑，逻辑上十分粗暴。人脑内部不存在天然光线，想要激活这个外来蛋白，只能手术植入光纤人为送光。这并不是大脑原生的工作方式。原生钾通道的“风车叶片”，不需要光驱动，依靠离子自身的电化学驱动力就能协同旋转、自主开关。光遗传学好比一把锁，本有原配钥匙，研究者却强行另凿一个孔，拿外力砸开锁芯。它能临时实现开关效果，但并不对应细胞原生的工作机理。

人脑拥有以百亿计的神经元，如果试图依靠光遗传学实现大范围的脑功能调控，理论上就要植入海量光纤，这在临床层面几乎无法落地。

人类脑病的治疗，长期依赖化学药物，但很多重大脑病，药物很难从根源解决问题。药物走不通，学界不少研究便转向基因编辑、外源蛋白导入这类思路。但这类方案，存在基因递送、免疫排斥、长期安全等一系列难以逾越的壁垒。与之不同，声光电磁力热，本质上都是物理调控手段的不同形式，预示着脑内物理革命的前夜：不必依赖药物，也不必强行改造细胞基因，通过外部物理信号，直接调控神经元原生离子通道活动，契合生物电遗传学的理论方向。

基于神经元对电信号的响应逻辑，脑起搏器主要分为两大类：侵入式（体内植入）脑起搏器，与非侵入式（体外）脑起搏器。这是当前临床治疗重大脑部疾病值得持续探索的方向。侵入式脑起搏器需要外科手术植入电极；而非侵入式脑起搏器无需开颅、不用植入电极，依靠外部电场、电磁波作用于脑组织，直接干预神经元原生的生物电活动，调控钾离子跨膜流动。

不同物理手段各有优劣。对比来看，电磁波、电场调控具备天然优势。盲人没有视觉输入、聋人没有听觉输入，光遗传学就难以发挥作用；但电场、电磁波可以直接作用于神经通路，唤醒听觉、视觉神经，绕开受损的感官感受器。电磁波能够弥散穿透脑组织，不需要基因改造，不用植入外来蛋白，也无需开颅埋光纤。

光想要作用于大脑深部，必须在颅内植入大量光纤，脑组织透光性差，弥散能力有限，这是难以回避的短板。超声属于机械力刺激，虽可无创穿透组织，但存在产生微小碎屑、堵塞远端微血管的潜在风险。热刺激容易造成局部组织灼伤；声波属于机械振动，影响范围弱，很难精准调控深部神经。

多年前我接触过一款足底电刺激产品，原理就是一块电刺激踏板。研发者却非要设计特制拖鞋、通电感应毯，增加线圈结构，包装得花哨。看似创新，本质是舍近求远，成本变高，落地困难。光遗传学和这个逻辑有相似之处，属于技术层面的过度包装。它可以人为拨动离子开关，但无法解释，哺乳动物大脑原生钾离子通道这个“风车”，在无光环境下如何自主协同转动。

诺奖评审规则历来偏爱新工具、新研究手段，而非优先奖励能够直接大规模普惠使用的成熟临床方案。传统中医药典籍里，葛洪记载青蒿榨汁治疟，实践证明有效。从现代医学标准化的角度看，总不能直接让患者饮用青蒿汁用于标准化治疗。提取单体，是为了实现药效稳定、剂量可控，这是现代医学标准化的路径。但由此也引出一个值得思考的现象：很多天然物质本身具备生理活性，为了标准化，不断提纯、拆分单体，这套模式背后，也掺杂产业层面的商业包装。就像日常补充维生素，新鲜蔬果本就可以满足人体需求，未必一定要服用提纯制剂；人参等天然药材同样如此。我们要区分科学标准化的价值，和过度商业化包装之间的边界。

当然，我们不能全盘否定光遗传学。在实验室环境下，它能够精准标记、观测单个神经元，解析脑回路，作为科研工具价值毋庸置疑。但如果大众认为这项技术很快就能用来治疗阿尔茨海默病、帕金森病，那就高估了。基因递送、颅内光纤植入、外源蛋白带来的安全风险，短期内很难得到妥善解决。

这次诺奖，恰恰印证了生物电遗传学底层逻辑成立：物理信号能够调控神经离子通道，进而调控神经元生物电。光只是其中一个子集。说到底，生物电才是神经活动的底层语言；而钾离子通道四聚体协同旋转的开关机制，正是这套底层语言的语法。科学评价，不该只看技术包装是否华丽，更要看方案是否简单、安全、普惠，能否真正解决病痛。真正伟大的科学突破，往往大道至简。诺奖奖励的是一项优秀科研工具，但能普惠大众的脑病解决方案，还需要继续探索。