光遗传学技术再获大奖，这次都有谁？

今日，世界知名的沃伦·阿尔珀特奖（Warren Alpert Prize）公布了2019年的获奖人名单。本年度获奖的四位科学家均为光遗传学领域（optogenetics）的先驱。这是一种使用光和基因工程来控制大脑中神经细胞活性的突破性技术。

“今年四位获奖者的发现从根本上改变了神经科学的研究状况，”哈佛大学医学院（Harvard University Medical School）院长George Q. Daley博士说：“他们的工作让科学家们能够观察、了解和操纵神经元，为理解人类大脑这一最终谜题奠定了基础！”

沃伦·阿尔珀特奖于1987年由企业家、慈善家沃伦·阿尔珀特先生成立。这名在商业上取得了巨大成功的企业家对科学充满热情。1993年，他为哈佛医学院捐赠2000万美元。2007年，他又为布朗大学医学院（Brown University Medical School）捐赠了1亿美元。“我希望能带来治愈阿尔茨海默病、癌症、艾滋病的方法。” 阿尔珀特先生在接受《纽约时报》采访时曾这样说。

30多年来，沃伦·阿尔珀特奖在国际上享有极高的声誉，先后有10名诺贝尔奖得主曾获得该奖项。其中包括免疫疗法先驱，去年获得诺贝尔生理学或医学奖的詹姆斯·艾利森教授和本庶佑教授，和获得2015年诺贝尔奖的屠呦呦院士。其它获奖人包括CRISPR技术的先驱之一Jennifer Doudna教授与Emmanuelle Charpentier教授，43岁就成为美国三院院士的Robert Langer教授等知名学者。

今年获奖的四名光遗传学先驱是：

• 麻省理工大学（MIT）神经科技（neurotechnology）教授Edward Boyden。

• 斯坦福大学（Stanford University）生物工程兼心理学和行为科学教授Karl Deisseroth。

• 柏林洪堡大学（Humboldt University）神经科学教授Peter Hegemann。

• 牛津大学（University of Oxford）神经回路和行为中心主任Gero Miesenböck教授。

▲Gero Miesenböck博士

使用光来调节神经元活性的想法非常令人神往，然而在2002年之前，这只是一个美好的想法。这一年，Miesenböck博士团队的实验首次证明这是可能的。他将对光敏信号通路的研究转化成分子工具，在细胞和系统水平上探索神经元的功能。Miesenböck博士在果蝇中检测了这一手段的效果，第一次证明可以使用光来控制大脑活动，为解开大脑之谜提供了全新的工具。

Miesenböck博士将果蝇眼睛中的感光分子视紫红质（rhodopsins）用基因工程方法表达在神经细胞中。这一成就不但让神经元对光产生敏感性，而且提供了一种远程控制它们活性的方法。经过改造后的神经元的细胞膜上表达着可以被光激活的离子通道，它们可以控制电信号和化学信号的流入和流出。当光照在这些离子通道上时，它们会打开，导致神经元发放动作电位，激活所在的神经回路。

▲Peter Hegemann博士

光遗传学领域的另一个关键性突破来自于Hegemann博士，他最初的研究聚焦于理解绿藻如何感光。在80年代，Hegemann博士开始探索绿藻和其它简单感光生物中被光激活的分子。从90年代开始，Hegemann博士的团队发现并且详细描述了这些称为视紫红质通道蛋白（ channelrhodopsins）的光敏分子。这些分子和它们的衍生物如今被神经生物学家广泛使用，激活或抑制神经元的活性。Hegemann博士和Karl Deisseroth博士一起，揭示了这些光敏通道的结构和功能。

▲Karl Deisseroth博士

Deisseroth博士进行的关键性实验表明，Hegemann博士从单细胞生物中发现的视紫红质蛋白能够用于激活神经元。Deisseroth博士的研究团队（包括CRISPR技术先驱张锋博士）随后发现哺乳动物的大脑中含有让这些蛋白正常工作的化合物，并且开发了病毒载体和光学手段，让科学家们可以进行行为学研究。Deisseroth博士的团队还开发出使用光遗传学激活和抑制神经元活性的方法，首次以单细胞分辨率在活哺乳动物中用光遗传学手段控制神经元活性和行为。

▲Edward Boyden博士

Boyden博士与张锋博士，Deisseroth博士和其它同事一起，进行了早期光遗传学的关键性实验。这项标志性研究在2005年发表在Nature Neuroscience上。

在成立自己的实验室之后，他继续开发光遗传学工具，设计出能够抑制神经元活性的光敏蛋白，并且进一步改良了光遗传学激动蛋白，让科学家们可以在大脑中相互独立地控制多种细胞类型。而且，与全息显微镜（holographic microscopy）先驱们合作，Boyden博士开发出光遗传学工具，让小群神经元精确产生特定电活动模式，模拟自然神经元回路的动作电位发放。

沃伦·阿尔珀特基金会发表的新闻稿指出，这四位科学家的工作给神经科学带来了革命性变化，让研究人员以前所未有的准确性控制大脑的活动。他们的发现建立的光遗传学领域，推动了这一领域的不断进展，并且为使用基于光遗传学的疗法治疗从帕金森病到焦虑、抑郁症等多种心理学疾病打下了基础。

我们再次向这4名杰出的科学家表示祝贺，并且期待光遗传学不但在基础科学领域大放异彩，也能早日转化为治疗神经疾病的创新疗法。

获奖者图片来自其所在研究机构，题图来自：PNAS，image courtesy of Inbal Goshen and Karl Deisseroth.

参考资料：

[1] 2019 Warren Alpert Prize Recipients Announced. Retrieved July 17, 2019, from https://warrenalpert.org/news/2019-warren-alpert-prize-recipients-announced

[2] Warren Alpert Foundation. Retrieved July 17, 2019, from https://warrenalpert.org/

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