2026年諾貝爾生理學或醫學獎揭曉，美國科學家戴瑟羅斯（Karl Deisseroth），以及德國科學家赫格曼（PeterHegemann）、納格爾（Georg Nagel）共同獲獎

 

2026年諾貝爾生理學或醫學獎揭曉，美國科學家戴瑟羅斯（Karl Deisseroth），以及德國科學家赫格曼（PeterHegemann）、納格爾（Georg Nagel）共同獲獎

表彰3人在「受光控制的離子通道」及「光遺傳學」（optogenetics）領域的重要發現。這項技術讓科學家能夠利用光線精準控制活體大腦中特定神經細胞的活動，為探索大腦運作機制及治療神經疾病帶來新方向。

諾貝爾大會秘書長佩爾曼（ThomasPerlmann）指出，光遺傳學讓研究人員可以在活體大腦中「開啟或關閉」單一神經細胞的活動，目前這項方法已被世界各地實驗室廣泛使用

這項重大突破源自對藻類感光機制的研究。1990年代初期，赫格曼研究綠藻「衣藻」如何在極短時間內對光線產生反應，並推測細胞內可能存在一種能夠感受光線、同時作為離子通道的蛋白質。納格爾隨後進行實驗，將衣藻相關基因注入青蛙卵，最終發現「通道視紫紅質-2」（channelrhodopsin-2），這種蛋白質會在受到光照後開啟離子通道

點亮深腦暗室：光遺傳學開拓者與細胞光控革命

光遺傳學（Optogenetics）被譽為21世紀神經科學領域最具顛覆性的突破。它巧妙結合了分子遺傳學與光學工程，克服了傳統電刺激「無差別放電」與藥物調控「反應遲緩且擴散廣泛」的致命缺陷，賦予人類前所未有的「毫秒級、單一神經元級別」的精準時空控制力。

光遺傳學的光譜頻率與波長分佈

光遺傳學主要利用可見光至近紅外光波段（約 400 nm 至 650 nm+）。不同的光敏蛋白具有特定的吸收光譜，藉由多種波長的搭配，科學家能在同一組織中實現「多色正交控制」（同時分別激發與抑制不同神經迴路）：

• 藍光波段（~450 nm – 490 nm，峰值約 470 nm）： 主要用於啟動／去極化。代表工具為通道視紫紅質（如 ChR2）。照光後開啟非選擇性陽離子通道（、、 流入），引發動作電位。
• 黃綠光至橙光波段（~560 nm – 590 nm，峰值約 589 nm）： 主要用於抑制／超極化。代表工具為嗜鹽菌氯離子泵（Halorhodopsin, NpHR）。照光後將 泵入細胞內，阻斷神經衝動發放。
• 黃綠光波段（~530 nm – 560 nm）： 用於光驅動質子泵（如 Archaerhodopsin-3, Arch），透過將質子（）泵出細胞外達成強效沉默。
• 紅光至近紅外光波段（~600 nm – 650 nm+）： 如 Chrimson 與 ReaChR。由於長波長光線在生物組織中的散射率與吸光率較低、組織穿透深度遠優於藍光，適合用於深層腦區的非侵入或低侵入式光控。

 

彼得·赫格曼（Peter Hegemann）：解構大自然的感光天線——從綠藻趨光性到單分子通道

核心技術與科學發現

彼得·赫格曼的研究起點並非複雜的人類大腦，而是池塘中微小的單細胞真核綠藻——萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）。在1980至1990年代，生物學界普遍認為真核生物的感光反應必然遵循經典的G蛋白偶聯受體（GPCR）二級信號串聯途徑（如人類視網膜的視紫紅質）：光子激活色素基團，觸發G蛋白釋放，進而透過胞內酶促階聯反應打開或關閉離子通道。這類生化過程在化學上極為精密，但也意味著它通常需要數十至數百毫秒的生化延遲。

然而，赫格曼在觀測衣藻的「趨光行為」（phototaxis）與「避光反應」（photoshock）時，紀錄到了一個不可思議的生理現象：衣藻從接收光刺激到產生跨膜電流，其反應延遲僅僅在幾十微秒（microseconds）之內。任何多步驟的細胞內生化信號放大路徑，在物理化學動力學上都無法解釋如此極致的反應速度。

赫格曼提出了一個大膽的假說：這類光敏蛋白本身就是一個離子通道。

為了證實這項假說，赫格曼與其團隊展開了漫長而艱難的生物物理與生物化學提純工作。他們聚焦於衣藻眼點（eyespot）膜結構中的感光蛋白，測定了其吸收光譜，並確認其輔基（chromophore）同樣是全反式視黃醛（all-trans-retinal）。他在極端受限的實驗條件下，逐步分離出這些感光視紫紅質的蛋白序列，並論證了「光吸收」與「通道門控」（gating）完全整合於同一個多肽鏈內部。這徹底顛覆了感光生物物理學的認知框架，正式敲定了第一類「直接由光驅動的離子通道」的分子實體。

技術深化的價值與科學應用

赫格曼的貢獻不僅止於現象發現，更在於其對通道分子機制的精密解析與後續突變改造。他測定了 Channelrhodopsin 的光循環動力學（photocycle），揭示了全反式視黃醛在光子吸收後於數飛秒至皮秒內發生異構化，進而驅動跨膜螺旋（transmembrane helices）構型改變，最終打開親水性孔道的全過程。

這項基礎生物物理學成果為整個光遺傳學領域奠定了底層「元件庫」。隨後，赫格曼利用分子對接與點突變技術，設計出不同導電特性與開閉動力學的工程化突變株。例如，他透過微調通道孔徑與門控殘基，創造出開啟時間大幅延長的「雙穩態步階通道」（Step-function opsins），使神經元僅需單次微弱的光脈衝即可維持數十分鐘的去極化狀態；同時，他也開發出高保真度的超快通道，能夠精準跟隨超過 100 Hz 的高頻神經電衝動而不出現脫敏衰退。赫格曼從植物生理學出發，以極具耐心與純粹的生物物理探索，將自然界演化數億年的光控感官，轉譯成了現代合成生物學與神經科學最鋒利的探針。

 

格奧爾格·納格爾（Georg Nagel）：跨界重組的生物物理學橋樑——證明「單組分光開關」

核心技術與科學發現

如果說赫格曼指出了自然界中存在「自體具備離子通道功能的光受體」，那麼格奧爾格·納格爾則是將這項發現自藻類原生膜系統中「解偶聯」、並證實其能跨越生物界域獨立運作的決定性工程大師。在分子生物學中，許多膜蛋白極度依賴其原生膜環境、特定脂質成分或未知的輔助亞基；若將其移至異源表現系統，往往面臨無法折疊、無法鑲嵌或喪失功能的困境。

納格爾長年深耕於電生理膜片鉗技術（patch-clamp）以及異源表現系統。1990年代末至2000年代初，納格爾與赫格曼展開了緊密合作。納格爾獲取了赫格曼團隊克隆出的衣藻視網膜蛋白候選基因片段，並決定使用生物物理學的黃金標準模型——非洲爪蟾卵母細胞（Xenopus laevis oocytes）來進行功能驗證。

這項實驗的關鍵突破在於其純粹性。非洲爪蟾卵母細胞本身缺乏藻類的眼點構造與特定的二級信號機制。納格爾將編碼該蛋白質的 mRNA 注入卵母細胞中，加入微量的視黃醛，隨後利用雙電極電壓鉗（two-electrode voltage clamp）技術進行測量。當一束特定波長的光線照射在卵母細胞表面時，記錄儀器瞬間偵測到了顯著的向內跨膜電流！

2002年與2003年，納格爾作為第一作者先後發表了里程碑式的論文，正式命名並定性了通道視紫紅質-1（Channelrhodopsin-1, ChR1）與通道視紫紅質-2（Channelrhodopsin-2, ChR2）。其中，ChR2 在生理鹽溶液中表現出極高的陽離子通透性（特別是 與 ），且在藍光（470 nm）照射下展現出驚人的開關動力學與光依賴性。更具決定性意義的是，納格爾進一步將 ChR2 表達到哺乳動物細胞（HEK293 人胚腎細胞）中，同樣觀測到了直接由光觸發的高強度膜電位去極化。

技術深化的價值與科學應用

納格爾的工作完成了科學鏈條中最致命的跳躍：證明 ChR2 是一個單組分系統（single-component system）。

在 ChR2 面世之前，科學界如果想用光來控制動物細胞，必須組裝極其繁複的多蛋白複合物，甚至需要引進整個生化級聯迴路，這在活體組織中幾乎不具備可操作性。納格爾向全世界宣告：只要將這單一編碼 ChR2 的基因送入目標細胞，細胞膜就會自行組裝出一個完整、受藍光控制的陽離子閥門。

不僅如此，納格爾隨後還涉足了光敏離子泵的異源表達研究。他與合作者驗證了古菌嗜鹽菌的鹵視紫紅質（Halorhodopsin, NpHR）作為光驅動氯離子泵的可行性，確立了「雙向光電調控」的物理概念——藍光使細胞膜去極化（興奮），黃光使細胞膜超極化（抑制）。納格爾將原本隱沒於低等生物與極端微生物中的生物能量轉換工具，轉化為模組化、跨物種兼容的神經操控元件，正式拆除了微觀離子通道跨入動物生理學的最後一道壁壘。

 

卡爾·戴瑟羅斯（Karl Deisseroth）：賦予大腦光的維度——活體光遺傳系統架構與神經迴路破譯

核心技術與科學發現

當赫格曼與納格爾向科學界揭示 ChR2 的物理本質時，身兼精神病學家與生物工程學家的卡爾·戴瑟羅斯，敏銳地察覺到神經科學長達百年的困境：我們能夠觀察大腦，卻始終無法精準干預它。藥物在組織間緩慢瀰漫，電極刺激同時重擊所有經過的軸突與神經元。要真正理解精神分裂症、重度抑鬱、帕金森氏症或恐懼焦慮，大腦需要一把兼具細胞類型特異性與毫秒級時間精度的手術刀。

戴瑟羅斯在史丹佛大學的實驗室（與其當時的研究生愛德華·鮑伊登（Edward Boyden）、張鋒（Feng Zhang）等人合作），正式接過了赫格曼與納格爾遞出的光敏接力棒。戴瑟羅斯沒有停留在培養皿階段，他著眼於建構一套能夠無縫嵌入哺乳類大腦的「系統性工程架構」。

2005年，戴瑟羅斯團隊在《自然·神經科學》（Nature Neuroscience）發表了震驚學界的論文：他們利用慢病毒載體（Lentivirus），在細胞型特異性啟動子（如 CaMKIIα）的驅動下，成功將 ChR2 基因遞送至哺乳類初級海馬神經元。在藍光脈衝照射下，神經元產生了精準鎖定毫秒級時間窗的單個動作電位；光停，神經放電立即終止。

緊接著，戴瑟羅斯將整個體系推向高難度的活體動物實驗（in vivo）。他開創性地整合了多項工程技術：

1. 病毒載體基因靶向： 利用腺相關病毒（AAV）與 Cre-Lox 重組酶系統，將光敏蛋白限定在特定神經元亞群（如多巴胺能神經元、GABA能中間神經元）中表現。
2. 光纖光學微植入技術（Fiber Photometry & Optrodes）： 設計出極其微小的光纖套管，透過顱骨立體定位手術直達小鼠大腦深層核團（如杏仁核、下丘腦、伏隔核），在自由活動的動物體內實現「邊發射光信號、邊記錄電生理」。
3. 光遺傳學（Optogenetics）一詞的正式創立與普及： 戴瑟羅斯不僅奠定了這個領域的學術範式，更秉持完全開放透明的科學態度，在史丹佛大學設立光遺傳培訓工作坊，無償分享質粒與操作手冊，以一人之力推動了全球數千個神經實驗室的技術升級。

技術深化的價值與科學應用

戴瑟羅斯的開創性工作將光遺傳學轉化為現代大腦研究的通用語言。他帶領團隊利用這項技術，破譯了一系列長年未解的神經迴路謎題：

• 情緒與動機迴路剖析： 透過光照精準啟動大腦邊緣系統特定投射通路，戴瑟羅斯團隊成功在活體小鼠中「瞬間切換」焦慮、恐懼記憶提取、獎賞渴望與社交攻擊行為。
• 神經與精神疾病病理機制： 在帕金森氏症模型中，戴瑟羅斯證明了深腦電刺激（DBS）的核心療效並非源自阻斷特定神經核，而是源於激活特定的皮質-紋狀體投射纖維；在抑鬱症模型中，他找到了前額葉皮層調控動機喪失的關鍵節律。
• 臨床轉譯與視力修復： 光遺傳學在臨床上的直接應用正在蓬勃發展。例如，對於因視網膜色素變性而失去感光細胞的盲人患者，利用光遺傳學基因療法將光敏蛋白導入視網膜神經節細胞，配合光學眼鏡投射，已成功使部分失明患者恢復光感與物體形狀辨識能力。

戴瑟羅斯將原本屬於單細胞生物的感光分子，升華為解碼人類心智、意識與精神疾病本質的超級工具。

 

新知觀點

這座諾貝爾獎表彰的是：從好奇心驅動的基礎植物生理學，到分子物理學的跨界驗證，最終在神經系統工程學中結出劃時代的碩果。

• 彼得·赫格曼代表了純粹的自然洞察力，他在綠藻的極速反應中捕捉到了演化隱藏的祕密，守護了冷門研究領域並發現通道蛋白的真身；
• 格奧爾格·納格爾代表了嚴密的生物物理跨界實踐，打破原生膜環境的藩籬，用精密電生理證明了單組分光開關的普適可行性；
• 卡爾·戴瑟羅斯則以卓越的工程遠見與轉譯雄心，將分散的感光元件鍛造成控制活體神經節律的光學手術刀，徹底改寫了現代腦科學的研究典範。

光遺傳學的誕生向全人類證明：基礎生物學的探索從無捷徑與邊界。沒有對水塘中一隻單細胞綠藻「為何趨光」長達數十年的執著追尋，人類今日便不可能擁有穿透大腦迷霧、在百億個神經元之間「以光譜撥動神經交響樂」的非凡力量。這項榮耀實至名歸，更為人類終結神經精神退化性疾病的漫長征途，點亮了無可替代的璀璨燈火。

 

 

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