這個星期又迎來緊湊的諾貝爾週，今（5）日由諾貝爾生理學或醫學獎揭開序幕，依慣例由瑞典斯德哥爾摩的卡羅林斯卡學院（Karolinska Institutet）公布：彼得．赫格曼（Peter Hegemann）、格奧爾格．納格爾（Georg Nagel）與卡爾．代塞羅斯（Karl Deisseroth）因發現光敏感離子通道與開創光遺傳學獲得殊榮。 三人開創的「光遺傳學」（optogenetics），讓科學家得以在活體大腦中探究神經細胞如何形塑記憶、情緒與行為，為現代神經科學立下全新里程碑。 大腦如何調控情緒、行為與各項生理機能，長年是科學界的未解之謎。

20世紀的科學家雖嘗試探討大腦不同區域對應的功能，卻受限於操控技術，無法確立因果關係，對大腦的認知猶如一張布滿問號的草圖。 光遺傳學是一項結合基因工程與光學刺激的革命性工具，讓科學家得以精確「開關」特定神經元，也為研究阿茲海默症、帕金森氏症、憂鬱症與癲癇等重大神經精神疾病的神經迴路機制，提供了關鍵工具。 在光遺傳學出現前，神經科學界若要刺激大腦細胞，多仰賴微電極放電或注射神經化學藥物。 然而，電刺激無法區分周遭不同種類的神經元，往往引發廣泛而雜亂的組織反應；化學藥物則受限於擴散速度，耗時數秒至數分鐘，無法跟上神經訊號傳導以毫秒計的節奏。

諾貝爾生理學或醫學委員會主席佩爾．史文寧森（Per Svenningsson）指出，光遺傳學讓人們能以過去只能夢想的方式繪製大腦圖譜。 綠藻感光蛋白的突破 在光遺傳學問世前，神經科學界若要刺激大腦細胞，多仰賴微電極放電或注射神經化學藥物。 然而，電刺激無法精準區分周遭不同種類的神經元，往往引發廣泛而雜亂的組織反應；化學藥物則受限於擴散速度，耗時數秒至數分鐘，無法跟上神經訊號以毫秒計的傳導節奏。 光遺傳學的核心突破，始於赫格曼對單細胞綠藻「衣藻」（Chlamydomonas）趨光泳動特性的探究。 2000年代初期，赫格曼與納格爾在綠藻中發現一種具獨特特性的蛋白質「通道視紫質」（Channelrhodopsin）。

這種蛋白質受藍光照射時，通道會開啟，讓帶正電的離子流入細胞並產生電訊號。 研究更證實，將這種蛋白質植入其他細胞後，也能讓該細胞對光產生反應。 從培養皿走進活體大腦 代塞羅斯隨後將通道視紫質基因植入培養的大鼠神經細胞，證實以藍光照射即可誘發神經訊號，並於2005年發表突破性成果；兩年後，他進一步將這項光控機制應用於活體小鼠大腦。 光遺傳學利用病毒等基因載體，例如如今廣泛使用的腺相關病毒（AAV），將光敏蛋白（視蛋白，opsins）基因送入特定神經元，讓科學家得以在毫秒等級的精確度下「開關」特定神經元。 在技術發展歷程中，多位國際學者也奠定了重要基礎。

麻省理工學院（MIT）神經科學家愛德華．博伊登（Edward Boyden）是2005年那篇關鍵論文的第一作者，與代塞羅斯共同建立神經元光控實驗。 馬克斯普朗克生物化學研究所的迪特．厄斯特海爾特（Dieter Oesterhelt）早在1971年便與同僚發現微生物光敏蛋白「細菌視紫質」，並揭示其利用光能轉運離子的機制。

牛津大學生理學教授格羅．米森伯克（Gero Miesenböck）則於2002年率先以基因植入的感光蛋白，在培養的神經元中驗證以光調控神經活動的概念，並在2005年以光控制果蠅的行為 臨床試驗點亮復明契機 光遺傳學如今不僅廣泛用於解析記憶提取、成癮行為、恐懼制約及睡眠覺醒等神經迴路，更已跨出動物模型，邁向人體臨床應用。 歐美研究團隊近年針對晚期遺傳性「視網膜色素病變」（Retinitis Pigmentosa, RP）患者，進行光遺傳學基因治療臨床試驗。 在2021年發表的一項試驗中，醫師將編碼光敏蛋白的基因載體注入患者眼球，使退化視網膜中尚存的神經節細胞獲得感光能力，再讓受試者配戴特製眼鏡，將環境影像轉換為特定波長的光脈衝。

結果顯示，一名近乎全盲的受試者已能辨識並計數桌上物件、也能看見斑馬線條紋，為部分失明患者帶來恢復視覺的契機。 獎金方面，今年各獎項的獎金為1200萬瑞典克朗（約合127萬美元），較去年增加約9%。 若同一獎項有多位得主，將依規定分配獎金，今年生醫獎由三人均分。 生醫獎週一（5日）揭曉後，週二（6日）將公布物理學獎，週三（7日）為化學獎，週四（8日）為文學獎，備受矚目的和平獎週五（9日）公布，壓軸的經濟學獎（瑞典中央銀行紀念諾貝爾經濟學獎）則將於下週一（12日）出爐。 至於去年的諾貝爾生理學或醫學獎，則由布倫科（Mary E. Brunkow）、拉姆斯德爾（Fred Ramsdell）與坂口志文三位科學家共同摘下桂冠。

三人的發現揭示了免疫系統如何藉由「調節性T細胞」抑制自身免疫反應，避免攻擊自身組織，也就是調節免疫平衡的「周邊免疫耐受」（peripheral immune tolerance）機制。