用光控制神經元:從生物物理學到 2026 年諾貝爾獎的光遺傳學


最近重新翻閱 Bear、Connors 與 Paradiso 的 Neuroscience: Exploring the Brain 第四版時, 在第四章 The Action Potential 的第 86–88 頁,  Optogenetics: Controlling Neural Activity with Light (光遺傳學:以光控制神經活動)。

這幾頁不只是在介紹一項神經科學技術。 課本中的 Box 4.2 The Discovery of the Channelrhodopsins 甚至是由 Georg Nagel 親自撰寫, 並且直接提到 Peter Hegemann 與 Karl Deisseroth。 而這三位科學家,正是 2026 年諾貝爾生理學或醫學獎得主。

一、什麼是光遺傳學?

課本首先從動作電位(action potential)開始說明。 神經元之所以產生動作電位,是因為細胞膜發生去極化 (depolarization),而且膜電位超過某個閾值 (threshold)。

在正常神經元中,這種去極化與離子通道開啟有關。 例如 Na+ 通過細胞膜進入神經元, 便會使膜電位朝較正的方向移動。

過去如果神經科學家想要人工控制一顆神經元是否放電, 通常需要利用微電極(microelectrode)向細胞注入電流。 這種方法雖然有效,但要精確控制特定種類的神經元並不容易。

光遺傳學(optogenetics)則採取另一種方法: 將外來基因導入神經元,使這些神經元表現出 會對光產生反應的膜離子通道。 當特定波長的光照射細胞時, 便可以利用光來改變離子的跨膜流動, 進而控制神經元的電活動。

因此,光遺傳學最核心的概念可以寫成:

基因 → 光敏感蛋白 → 光 → 離子流 → 膜電位改變 → 神經元活動

二、Channelrhodopsin-2:用藍光打開神經元

課本接著介紹光遺傳學最重要的蛋白質之一: channelrhodopsin-2(ChR2)。

研究人員原本是在綠藻中研究對光的反應, 後來鑑定出 channelrhodopsin。 當 ChR2 的基因被導入哺乳類細胞後, 研究者發現它會形成一種 對光敏感的陽離子通道(light-sensitive cation channel)。

這個通道可以讓 Na+ 與 Ca2+ 通過。 當大約 460 nm 的藍光照射時, ChR2 很快打開,陽離子流入細胞, 造成膜電位去極化。

藍光(約 460 nm) → ChR2 開啟 → Na+、Ca2+ 內流 → 去極化 → 超過 threshold → action potential

換句話說,只要事先讓指定的神經元表現 ChR2, 研究者就可以用一道藍光, 決定這群神經元什麼時候開始放電。

這也是光遺傳學最令人震撼的地方: 研究者不再只能「觀察哪一區的大腦亮起來」, 而是可以真正操縱某一群神經元, 再觀察動物的行為是否改變。

三、Halorhodopsin:也可以用光把神經元關掉

光遺傳學並不只能讓神經元興奮。 課本同時介紹了 halorhodopsin。

它與 Cl− 的跨膜運輸有關。 在課本的示意圖中, halorhodopsin 對大約 580 nm 的黃光產生反應, 使細胞內部的電位朝更負的方向移動。

也就是造成:

hyperpolarization(過極化)

膜電位離動作電位的閾值更遠, 神經元因此比較不容易放電。

黃光(約 580 nm) → halorhodopsin → 膜電位更加負 → hyperpolarization → 抑制 action potential

所以光遺傳學真正強大的地方,是研究者可以利用不同的光敏蛋白, 做到類似:

Neuron ON / Neuron OFF

而且可以限定在經過基因選擇的特定細胞族群。

四、Box 4.2:Channelrhodopsin 是怎樣被發現的?

這幾頁最有意思的地方,是 Box 4.2 The Discovery of the Channelrhodopsins。 這段不是一般教科書作者事後整理的歷史, 而是 Georg Nagel 以第一人稱回憶自己的研究過程。

從膜上的離子輸運開始

Nagel 回憶,1992 年他完成 Yale University 與 Rockefeller University 的博士後研究之後, 回到德國 Frankfurt 的 Max Planck Institute of Biophysics。

他當時真正感興趣的問題其實非常「物理」:

細胞膜兩側的離子濃度梯度究竟如何建立?

在 Ernst Bamberg 的鼓勵下, 他開始研究 microbial rhodopsins, 也就是吸收光能之後,可以促使離子跨膜運輸的一群蛋白質。

研究人員把 bacteriorhodopsin 的基因放進青蛙卵母細胞 (oocyte),再用微電極測量光照後產生的電流。

1995 年,他們證明照光可以驅動 bacteriorhodopsin 造成 H+ 跨膜輸運; 1996 年又研究了受到光活化的 chloride pump: halorhodopsin。

Peter Hegemann 與綠藻的 rhodopsin

後來 Nagel 從 Peter Hegemann 那裡得到來自綠藻 Chlamydomonas reinhardtii 的候選 photoreceptor DNA。

一開始的實驗並不成功。 研究者甚至懷疑這是不是原先預期的 Ca2+ channel。

轉折點來自一個很漂亮的實驗意外。 Nagel 使用了一種原本想抑制 calcium current 的溶液, 卻觀察到非常大的 light-activated inward current。

後來才發現,那個溶液的緩衝其實出了問題, 溶液太酸,也就是 H+ 濃度太高。

但這個「錯誤」反而給了他重要線索: 這個蛋白很可能產生 light-dependent H+ conductance。

當他進一步改變細胞內外的 H+ 梯度時, 甚至可以讓光所誘發的電流改變方向。 於是研究者逐漸確認, 這是一種真正的 light-gated ion channel。

Nagel 因此與 Peter Hegemann、Ernst Bamberg 討論後, 將它稱為:

channelrhodopsin-1(ChR1)

後續研究又發現, 不只是 H+, 其他單價陽離子也可以通過這種通道。

五、Channelrhodopsin-2 的出現

之後 Nagel 研究另一個相近的藻類蛋白: channelrhodopsin-2(ChR2)。

與 ChR1 相比, ChR2 所產生的 photocurrent 大得多, 因此也更容易進行電生理分析。

2003 年相關成果發表後, 許多實驗室開始索取 ChR2 DNA。 研究團隊也開始思考: 如果這個蛋白可以用光產生如此明顯的電流, 能不能把它裝進神經元裡?

他們先在 C. elegans 中進行實驗。 當 ChR2 成功表現在肌肉細胞之後, 只要照射藍光, 線蟲的肌肉就能產生收縮。

這件事情其實已經把最重要的概念證明出來了:

基因決定哪些細胞裝上光敏蛋白, 光決定那些細胞什麼時候被啟動。

六、Karl Deisseroth:從光敏蛋白走向神經科學

課本接著提到一個今天看來非常重要的名字: Karl Deisseroth。

2004 年,Deisseroth 向 Nagel 索取 ChR2 的 DNA 以及使用上的建議。 隨後,他很快證明 ChR2 可以有效應用在 mammalian neurons(哺乳類神經元)。

Deisseroth 與 Ed Boyden、Feng Zhang 等人的研究, 使 ChR2 迅速成為神經科學界的重要工具。

到了這裡, 原本研究綠藻如何感光的一種膜蛋白, 已經轉變成:

利用光精確控制神經元的工具。

這也就是後來所稱的 optogenetics(光遺傳學)。

七、這其實也是很典型的生物物理學

雖然今天談到 optogenetics, 通常首先想到的是神經科學, 但如果回到 channelrhodopsin 的發現過程, 它其實具有非常濃厚的 生物物理學(biophysics), 尤其是 膜生物物理(membrane biophysics) 色彩。

Nagel 本人在這段回憶的一開始, 就在 Max Planck Institute of Biophysics 研究細胞膜上的離子濃度梯度。

而整個問題可以一路寫成:

光子 → 光敏蛋白 → 離子通道 → 離子跨膜輸運 → 電流 → 膜電位 → 動作電位

到了課本下一頁,作者甚至直接用電導與電位差描述離子電流:

Iion = gion (Vm − Eion)

這就是類似 Ohm's law 的形式。 其中 gion 是離子通道的電導, Vm 是膜電位, Eion 則是該離子的平衡電位。

所以從物理學角度來看, 光遺傳學的關鍵並不是一句神奇的「用光控制大腦」。 真正發生的是:

光改變膜蛋白的狀態, 膜蛋白改變離子的 conductance, 離子電流再改變 membrane potential。

從光物理、蛋白質、生物膜、電化學、 離子輸運一路連到神經電生理, 這正是一個相當漂亮的生物物理問題。

八、十年前的課本,剛好寫進了 2026 年諾貝爾獎

而今年再回頭讀這幾頁,格外有意思。

2026 年諾貝爾生理學或醫學獎 授予:

Karl Deisseroth
Peter Hegemann
Georg Nagel

獲獎工作正是關於 light-gated ion channels and optogenetics ——光閘控離子通道與光遺傳學。

如果回頭看這本 2016 年出版的 Neuroscience: Exploring the Brain 第四版, 會發現一件很有趣的事情:

Georg Nagel 已經在 Box 4.2 親自講述 channelrhodopsin 的發現; Peter Hegemann 的名字直接出現在 ChR1、ChR2 的研究歷史中; Karl Deisseroth 則出現在把 ChR2 真正帶入哺乳類神經元研究的關鍵位置。

也就是說, 這本十年前的神經科學教科書, 幾乎已經把 2026 年諾貝爾獎的科學故事 完整埋在第 86–88 頁裡了。

九、從一隻綠藻到一顆活著的腦

我覺得光遺傳學最漂亮的地方, 是它把尺度完全不同的科學問題連了起來。

綠藻感光 → rhodopsin → ion channel → membrane current → action potential → neural circuit → memory、emotion、behavior

最開始只是研究: 「一個微生物膜蛋白吸收光之後, 究竟會讓什麼離子流過去?」

最後卻變成: 「我們能不能指定某一群神經元, 然後用一道光讓它們開始或停止放電?」

這條路徑同時橫跨了 生物物理學、分子生物學、電生理學、神經科學與神經工程。

而今年的諾貝爾獎, 某種程度上正是在表彰這條從 light → ion → membrane potential → brain 一路走過來的科學道路。


課本:
Mark F. Bear, Barry W. Connors, Michael A. Paradiso, Neuroscience: Exploring the Brain, 4th Edition, Chapter 4, pp. 86–88.

相關章節:
Optogenetics: Controlling Neural Activity with Light
Box 4.2: The Discovery of the Channelrhodopsins, by Georg Nagel

延伸:
2026 Nobel Prize in Physiology or Medicine: Karl Deisseroth、Peter Hegemann、Georg Nagel; 主題為 light-gated ion channels and optogenetics。