美德3學者奪諾貝爾醫學獎 「光遺傳學」技術助大腦解密、助盲人重見光明

諾貝爾獎

根據《NPR》(美國公共廣播電台)的報導與瑞典的Karolinska Institutet(卡羅林斯卡學院)的新聞稿,54歲的美國學者戴瑟羅斯(Karl Deisseroth)、71歲的德國學者黑格曼(Peter Hegemann)與73歲的納格爾(Georg Nagel)三人共同獲得2026年諾貝爾醫學獎(Nobel Prize in Physiology or Medicine)。

3位科學家為「光遺傳學」(Optogenetics)的開創者,研究如何利用光線精準「開啟或關閉」活體大腦中特定神經細胞的突破性技術。這3位學者從事光控離子通道和光遺傳學方面的研究,分別在德國和美國的大學工作。

諾貝爾委員會對他們的研究工作給予高度評價,並在X網站上撰文讚揚,這種「光遺傳學」方法「目前已被世界各地的實驗室用於揭示大腦的奧秘」。

諾貝爾醫學獎委員會的主席Per Svenningsson表示,「光遺傳學提供繪製大腦運作圖譜的機會,但在過去這只是我們夢想的事情」。透過光遺傳學,科學家能在活體大腦中,開啟或關閉單一神經細胞的活動。

綠藻細胞有光敏蛋白質

3人在光感應離子通道與光遺傳學領域的開創性發現獲得諾貝爾表彰。黑格曼與納格爾在綠藻中發現光敏蛋白質,戴瑟羅斯成功將其應用於哺乳動物神經細胞,實現以光精準控制神經訊號。

3人研究成果的應用價值在於,能以毫秒級速度調控神經活動以解析大腦迴路,並對阿茲海默症(失智症)、帕金森氏症及視力恢復等臨床研究具重大意義。

根據諾貝爾委員會介紹的資料,戴瑟羅斯就職於加州史丹佛大學,黑格曼就職於德國柏林洪堡大學,納格爾就職於德國維爾茨堡大學。

今年諾貝爾醫學獎的獎金為1200萬瑞典克朗(約120萬美元或3900萬元台幣),平均分給3位科學家。去年,該獎項授予三位研究免疫系統的科學家。

「光遺傳學」的原理起源於黑格曼的好奇心,他想知道微小的單細胞藻類是如何快速游向光源。

2007年實現首次活體應用

1991年,黑格曼於德國馬克斯·普朗克化學研究所(Max Planck Institute for Biochemistry)開始利用微電極測量衣藻的電訊號,並提出「單一蛋白質可能同時兼具感光與離子通道功能」的大膽設想。

2001年,黑格曼跟納格爾開始緊密的合作,從單細胞藻類(衣藻)中發現「光敏感通道蛋白質」(Channelrhodopsin, ChR2)。當特定波長的藍光照射時,這個蛋白質會打開一個通道,讓帶電荷的離子進入細胞,並產生電脈衝。他們發現,無論將ChR2蛋白質放入哪一個細胞,這些細胞都會變得對光敏感。

2002年與2003年,黑格曼跟納格爾成功在國際期刊上發表「光敏感通道蛋白質」(Channelrhodopsin-1 & 2)的重大發現,為後來的「光遺傳學」奠定劃時代的基石。

2005年,戴瑟羅斯成功將這種蛋白質基因導入哺乳動物的神經細胞中。他們發現,只要用藍光照射,就能成功觸發神經元產生動作電位(神經訊號),這些研究成果發表於《自然-神經科學》(Nature Neuroscience)。

新技術成功修復視覺

2007年實現首次活體應用。戴瑟羅斯團隊進一步推進技術,首度在活體哺乳動物(小鼠)身上實現了光控制。他們將該基因導入活體小鼠控制運動與睡眠的腦區。當打開藍光光源時,成功用光線直接控制小鼠的行為,例如將睡眠中的小鼠喚醒、引導小鼠運動。

過去研究大腦只能透過儀器看見大腦哪些區域亮起來(推測功能);光遺傳學則能讓科學家像按開關一樣,精準測試刺激或關閉某一群神經細胞時,動物的行為、記憶或情緒會發生什麼變化。

「光遺傳學」的醫學應用潛力雄厚。2021年已有醫生的臨床試驗應用「光遺傳學」技術,治療失明患者,將光敏感通道表現在視網膜細胞上,搭配特製眼鏡協助恢復部分視力。

「光遺傳學」技術也能夠用來治療腦部疾病,未來有望應用於治療帕金森氏症、癲癇、憂鬱症、毒品成癮行為,以及探索失聰與記憶機制。

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