夏一新/加拿大英屬哥倫比亞大學博士、副教授、精神科醫師
2026年諾貝爾生理/醫學獎10月5日在瑞典斯德哥爾摩揭曉，美國史丹佛大學精神科醫師兼神經科學家代塞羅斯（Karl Deisseroth）、德國生物物理學家赫格曼（Peter Hegemann）與納格爾（Georg Nagel）共同獲獎，表彰三人在光門控離子通道與光遺傳學（optogenetics）領域的重大發現。
赫格曼研究綠藻如何感受光線，納格爾證實感光蛋白本身具有離子通道功能，代塞羅斯則將這項發現應用於哺乳類神經元，使科學家得以利用光控制神經細胞活動，直接探索記憶、情緒與行為背後的神經機制。
從綠藻找到光門控離子通道
光遺傳學結合「光」（opto）與「遺傳學」（genetics）兩個概念。這項技術源於單細胞綠藻衣藻（Chlamydomonas），它具有兩根鞭毛，能在水中游動，並透過眼點（eyespot）感受光線、調整游動方向，稱為趨光性（phototaxis）。
赫格曼發現，衣藻受到光刺激後，會迅速產生電反應，因此推測細胞內可能存在一種特殊感光蛋白，不僅能感受光線，還能控制離子穿越細胞膜。
1999年前後，日本研究團隊建立衣藻的互補DNA（cDNA）序列資料庫，為尋找感光蛋白基因提供重要線索。赫格曼團隊據此辨識候選基因，納格爾再將基因導入非洲爪蟾卵細胞，證實這些基因能讓細胞製造受到光控制的離子通道蛋白。
這正是光遺傳學的核心。研究者將編碼感光蛋白的DNA基因導入細胞，DNA先經轉錄（transcription）形成信使RNA（mRNA），再經轉譯（translation）製造感光蛋白。當蛋白質嵌入細胞膜後，就成為可以由光控制的離子通道。
2002至2003年，研究團隊先後發表通道視紫質1號（channelrhodopsin-1, ChR1）與通道視紫質2號（channelrhodopsin-2, ChR2）的研究。其中ChR2是一種兼具感光與離子通道功能的蛋白質，藍光照射時通道開啟，光線停止後便關閉。
科學家因此想到，如果把製造ChR2的基因導入神經元，讓神經細胞自行製造光門控離子通道，是否就能利用藍光控制神經元活動？
精神科醫師把光開關帶進神經元
代塞羅斯兼具精神醫學與神經科學背景，在史丹佛大學取得醫學與神經科學博士學位，完成四年精神科住院醫師訓練後，主要投入神經科學研究，同時持續從事臨床工作。
2005年，代塞羅斯團隊在《自然神經科學》（Nature Neuroscience）發表研究，成功將編碼ChR2感光蛋白的基因導入哺乳類神經元，以短暫藍光刺激，在毫秒尺度誘發動作電位（action potential）。原本來自綠藻的感光蛋白，從此成為控制神經細胞活動的重要工具。
人類能夠思考、說話、記憶、感受喜怒哀樂，以及看見、聽見與控制身體運動，都仰賴神經元之間不斷傳遞訊息。
神經元細胞膜兩側原本就存在電位差，稱為靜止膜電位，通常約為負70毫伏。當藍光照射ChR2光門控離子通道，通道開啟，帶正電的離子流動使細胞膜去極化（depolarization）。當膜電位達到閾值，原有的電位開關鈉離子通道便大量開啟，產生動作電位。
電訊號沿著軸突（axon）傳到神經末梢，促使電位開關鈣離子通道開啟。鈣離子進入後，促使神經傳導物質（neurotransmitters）釋放到突觸間隙，再與下一個神經元細胞膜上的受體結合。當興奮性訊號使細胞膜去極化並達到閾值，便會產生新的動作電位，使電訊號繼續沿著下一個神經元傳遞。
神經系統就是藉由「電→化學→電」的訊號轉換，讓不同神經元彼此聯繫，形成人類思考、記憶、感覺與行為的生理基礎。
光遺傳學沒有改變這套神經傳導機制，而是在神經元細胞膜上增加一道可以由光控制的開關。研究者因此能選擇性啟動特定神經元，也能利用其他抑制性感光蛋白降低神經活動，進一步探索大腦功能的因果關係。
從LTP到直接操控恐懼記憶
人類為什麼能夠記住過去發生的事情？這是神經科學長期研究的重要問題。
1973年，神經科學家Bliss與Lømo利用電極對兔子海馬迴（hippocampus）的神經纖維施加短暫高頻電刺激。研究發現，即使刺激已經結束，日後再次給予相同強度的電刺激，突觸仍會產生比原先更強的電生理反應，而且可以持續數小時。
這種現象稱為長期增強（long-term potentiation, LTP），彷彿突觸記住了先前受到的刺激。科學家因此推測，LTP可能是學習與長期記憶的重要細胞基礎。
1986年，Morris團隊在《自然》（Nature）發表研究，利用藥物AP5阻斷NMDA受體，發現不僅難以誘發LTP，實驗動物在水迷宮中的空間學習能力也受到損害，為突觸可塑性與記憶之間的關係提供重要證據。
光遺傳學則使研究跨入新的階段。2012年，利根川進（Susumu Tonegawa）團隊在《自然》發表研究，利用光遺傳學標記小鼠形成恐懼記憶時活化的海馬迴神經元。研究者將小鼠移到未曾遭受電擊的環境，只以光重新啟動這群神經元，小鼠便再次出現僵住（freezing）的恐懼反應。
2014年，美國加州大學聖地牙哥分校神經科學家馬利諾（Roberto Malinow）團隊也在《自然》發表研究。他們利用腺相關病毒載體（AAV），將感光蛋白基因導入大鼠的聽覺神經通路，再以光刺激控制通往杏仁核（amygdala）的神經訊號。
杏仁核是大腦邊緣系統（limbic system）的重要結構，參與恐懼學習與情緒記憶，也與恐懼症、恐慌症及創傷後壓力症候群（PTSD）的神經機制有關。
研究者先讓大鼠形成恐懼記憶，再以特定光刺激誘發長期抑制（long-term depression, LTD），降低突觸傳導效率，使原有恐懼反應失活；之後重新誘發LTP，恐懼反應便再次出現。
這項研究證實，改變特定神經通路的突觸強度，可以直接影響恐懼記憶的行為表現，為未來研究病態恐懼與相關精神疾病的神經調控治療提供重要線索。
光遺傳學能促進中風後神經修復嗎？
光遺傳學的應用並不限於記憶與情緒研究。
2014年，加拿大英屬哥倫比亞大學（UBC）神經科學家墨菲（Timothy Murphy）團隊，在《神經科學期刊》（Journal of Neuroscience）發表研究，利用帶有ChR2感光蛋白的基因轉殖小鼠（transgenic mice），以藍光刺激中風後的大腦皮質，再透過電位敏感染料影像觀察神經活動。
研究發現，中風不僅破壞局部腦組織，也會影響遠端神經網路；中風8週後，部分神經迴路的功能連結逐漸恢復，顯示光遺傳學可以用來追蹤大腦神經網路的重組過程。
同年，美國史丹佛大學神經外科教授史坦伯格（Gary Steinberg）團隊，在《美國國家科學院院刊》（PNAS）發表研究，利用光遺傳學反覆刺激中風小鼠的運動皮質，發現其運動功能與腦血流改善，腦源性神經營養因子（BDNF）及神經生長因子（NGF）等表現也隨之增加。
這項研究顯示，光遺傳學可能藉由調節神經活動，促進中風後的神經可塑性與功能恢復，但目前仍屬動物實驗。
從光遺傳學走向精準醫療新時代
諾貝爾醫學獎公布後，光遺傳學的臨床應用也傳來重要進展。
2026年10月7日，美國匹茲堡大學眼科教授薩赫爾（José-Alain Sahel）領導的國際研究團隊公布研究成果，並於10月8日在《新英格蘭醫學期刊》（New England Journal of Medicine）發表光遺傳學人體臨床研究。
研究納入10名因晚期視網膜色素變性（retinitis pigmentosa）而嚴重失明的患者。研究者利用腺相關病毒載體（AAV），將編碼感光蛋白的基因經玻璃體內注射送入眼球，使仍然存活的視網膜神經節細胞製造感光蛋白，再配合特殊光刺激眼鏡，讓這些細胞重新獲得接受光刺激的能力。
結果，10名患者中有6人的光敏感度達到具有臨床意義的改善幅度，部分患者也能在特殊眼鏡輔助下辨識物體位置。雖然尚未恢復正常視力，這項早期臨床研究已顯示，光遺傳學可以在人體產生可測量的功能改善。
這項成果也反映近年精準醫療（precision medicine）的發展方向。過去，基因檢測主要用於評估疾病風險及尋找適合的標靶治療；如今，基因治療更進一步利用AAV等載體，將特定基因送入人體細胞，使其製造新的功能性蛋白質。光遺傳學則結合基因技術與光刺激，讓特定神經細胞獲得感光能力，再以光精確控制其活動。
從基因轉殖小鼠研究中風後的神經迴路，到利用AAV基因傳遞，使部分失明患者恢復有限的視覺功能，光遺傳學已逐漸從基礎神經科學走向人體臨床。未來能否進一步應用於中風、帕金森氏症、癲癇及精神疾病，仍有待更多研究驗證。
2026年諾貝爾醫學獎表彰的，不只是一道能夠控制神經元的光，更是基因工程與神經科學的結合，讓人類從探索大腦功能，逐步走向精確調控神經迴路、修復受損功能的精準醫療新時代。
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