掌握如何用光控制脑细胞的科学家们赢得了今年的生理学或医学诺贝尔奖。卡尔·德塞罗斯、彼得·赫根曼和乔治·纳盖尔因他们在“光门控离子通道和光遗传学”方面的研究而获得这一荣誉。彼得·赫根曼在柏林洪堡大学，乔治·纳盖尔在维尔茨堡大学，他们希望了解一种名为眼虫的微小单细胞藻类如何感知光。光感知并非只有有眼睛的动物所特有：生物界的生物体都利用光来探测环境并对周围环境的变化做出反应。即使是单细胞生物也有能够对光作出反应的蛋白质。这些蛋白质被用来朝向或远离光源移动、产生能量，并满足24小时过程中的各种需求。赫根曼和纳盖尔发现，眼虫具有一种美妙的光检测机制，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。蛋白质的一部分面向细胞外的水，另一部分则面向细胞内。该蛋白质还包含一种名为视黄醛的小分子，能够吸收光线。当光线照射到通道视紫红质内的视黄醛时，它会改变形状。这使得通道视紫红质蛋白质也发生形状变化。这一变化打开了细胞膜中的一个小通道。带正电荷的粒子，包括钠，可以从藻类外部的水流入细胞。这种带电粒子的移动会向藻类内部发送信号，帮助其游动。解决这样一个有趣的生物学问题太棒了，但为什么会获得生理学或医学诺贝尔奖呢？答案在于神经细胞的工作方式。神经细胞通过带电粒子（称为“离子”）在其膜上移动来控制它们的活动。当带正电荷的粒子流入神经细胞时，可以使其变得更加活跃。研究人员意识到，如果他们能将通道视紫红质放入神经细胞中，就可能仅通过照射光线就能打开这些细胞。这正是赫根曼、纳盖尔和第三位诺贝尔奖获得者，斯坦福大学的精神病学家兼生物工程师卡尔·德塞罗斯所做的。用光激活神经细胞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，因为科学家可以利用它打开和关闭特定的神经细胞群体，并观察发生了什么。首先，科学家将通道视紫红质的基因传送给他们想要研究的神经细胞。基因通常是通过一种经过改造的病毒传递到细胞中的，这种病毒不会导致疾病。细胞随后产生通道视紫红质蛋白质，使它们能够对光作出反应。在小鼠等动物中，科学家可以通过一根细小的光纤将光线射入大脑。当光线到达细胞时，通道视紫红质打开，细胞变得活跃。附近不含该蛋白质的神经细胞不受影响。光可以精确瞄准大脑的一个非常小的部分，并以极快的速度开关。这使得光遗传学成为研究大脑如何运作的强大工具。例如，如果科学家想知道某一组神经细胞是否与记忆、睡眠、感觉或运动有关，他们可以用光激活这些细胞，看看会发生什么。在2012年的一项实验中，麻省理工学院的一个团队在特定的笼子里给小鼠施加温和的电击。他们使用光遗传学标记在恐惧条件实验中活跃的神经细胞。几天后，在不同的笼子里，他们用光激活那些细胞。小鼠因为感到恐惧而僵住，似乎记起了电击。没有被电击的小鼠并没有僵住，这表明光再激活了一种特定的记忆。德塞罗斯是这项研究的作者之一。光遗传学改变了科学家研究大脑和神经系统运作的能力。它也可能在未来作为一种治疗手段出现。光遗传学已在早期临床试验中用于视网膜退化患者。在这些试验中，研究人员将光敏蛋白引入保留在视网膜中的神经细胞，那些通常感知光的细胞（称为杆状细胞和锥状细胞）已经失去。这样可以使存活的细胞对光作出反应，恢复一定的视力。研究人员还在探讨光遗传学是否最终可以用于治疗包括帕金森病和癫痫等神经疾病。今年的诺贝尔奖庆祝的是一项以一个听起来可能有些深奥的问题开始的工作：眼虫如何向光游动？这个问题没有显而易见的实际重要性。它并没有解决人类健康中的迫切需求，也不是通往财富的明确途径。光遗传学的成功令人欣喜。