[自由時報/許英昌]

[作者在中正大學生醫系任教]

今年諾貝爾生理或醫學獎，頒給史丹福大學戴瑟羅斯（Karl Deisseroth）醫師、德國柏林洪堡大學海格曼（Peter Hegemann）教授及德國維爾茲堡大學納格爾（George Nagel）教授，肯定他們發現光控離子通道和光遺傳學上的傑出貢獻。

先前科學家從觀察上著手，連結特定神經元的活動模式與動物行為，或破壞大腦特定區域，記錄其後果、因果關係並非相當明確。發現光控離子通道技術，則讓研究人員能更精準開啟或關閉特定神經元，了解大腦如何塑造記憶、行為及情感等，徹底改變科學家研究大腦的方式，確定因果關係。二〇二一年臨床上也利用此技術，幫助視障者恢復部份視力，並了解用於治療帕金森氏症的「深部腦部刺激」的大腦迴路。

一九九〇年代初期，海氏研究為何單細胞藻類衣藻，對光線反應如此迅速，一暴露光源，細胞即迅速朝光源移動，發現細胞表面上的眼點，含有一蛋白質，在藍光照射下，〇‧五毫秒即打開離子通道，產生電脈衝。相對之下，人眼受光線刺激後，產生複雜化學反應，最終打開離子通道，讓離子進入胞內產生電訊號，至少需十毫秒。海氏推測衣藻含一蛋白質能捕捉光又能成為離子通道。然而從眼點中純化此蛋白質並非易事。千禧年日本團隊定序衣藻的DNA圖譜，海氏發現有兩個基因和已知光捕獲蛋白有相似性，海氏立即和納氏合作。

納氏將此兩種基因分別打入青蛙卵細胞，即大量產生蛋白質，並表現於細胞膜上，分別命名通道視紫質-1和通道視紫質-2，後者則打開光遺傳學領域。當光照蛙卵細胞，離子通道打開，帶正電離子隨即進入細胞產生電訊號。兩位進一步將視紫質-2基因導入人類胚胎及倉鼠的腎細胞，皆產生電脈衝。

戴氏為一精神科醫師，對於人的大腦運作相當好奇，如何導致憂鬱症、自閉症、妄想症等。當時戴氏的研究團隊，主要在尋找一觸發神經電脈衝的蛋白質，當他一知道視紫質-2被發現後，隨即和納氏聯絡，將此基因導入大鼠神經細胞，當用藍光一照，誘發一神經訊息。三人合作很快發現，更多能開啟和關閉神經細胞的蛋白質，可被不同的波長所激發。

二〇〇七年戴氏利用光遺傳技術，將視紫質-2基因導入活體小鼠大腦，再將一根光纖插入大腦，照射神經細胞，能引起小鼠鬍鬚運動，同理利用此技術，可控制喚醒熟睡的小鼠。二〇一二年，戴氏和利根川進教授（一九八七年諾貝爾獎）合作，成功啟動記憶痕跡，首次精準證明記憶形成時，產生的神經路徑模式，特定記憶，例如當面對恐懼時，所需的神經細胞迴路。

成年人大腦約有九百億個神經細胞，每個神經細胞都與其他神經細胞形成數千個連結，活化一個神經細胞路徑會伸長到大腦完全不同區域。科學家利用光遺傳技術，已能逐一識別出記憶形成、控制疼痛、口渴、社交行為、食物攝取、獎賞反應和注意力等的神經迴路。

總之，光控離子通道和光遺傳學徹底改變神經科學中探測神經迴路的方式，更清楚揭開大腦的圖譜及其功能，藉此分解再組合神經迴路，有利設計新藥物。三位的努力，毫無疑問，更深一層揭開人類大腦的奧秘。