跳至主内容

新闻稿

2020年度邵逸夫生命科学与医学奖平均颁予格罗 • 米森伯克 (Gero Miesenböck)彼得 • 黑格曼 (Peter Hegemann)格奥尔格 • 内格尔 (Georg Nagel),以表彰他们所研发的光遗传学,一项彻底改革了神经科学发展的技术。格罗 • 米森伯克是 英国牛津大学韦恩弗莱特生理学讲座教授暨神经回路与行为中心主任。彼得 • 黑格曼是德国柏林洪堡大学神经科学赫蒂讲座教授暨生物物理系系主任。格奥尔格 • 内格尔是德国维尔茨堡大学 分子植物生理学教授。

要明白大脑的运作,我们需要了解神经细胞交流时所使用的语言。鉴於人类大脑中有860亿个神经细胞,它们之间的交流异常复杂,要了解其中过程是极富挑战性的。每个神经元可以与其他神经元进行多达近万次接触,导致万亿个突触连接。感谢2020年度邵逸夫生命科学与医学奖得奖人:牛津大学的格罗 • 米森伯克、柏林洪堡大学的彼得 • 黑格曼和维尔茨堡大学的格奥尔格 • 内格尔,他们近年在科学技术方面的发现提供了有效的工具,让我们能够追踪和控制实验动物的神经网络。

神经科学家一直在寻找可控制个别神经细胞活动的方法,以便观察细胞之间交流时所用的网络,并确定细胞交流过程的调控。在过去一个多世纪,科学家通过化学或物理方法直接激活局部的神经细胞,以检测和控制神经网络里的细胞电位变化。神经科学家的梦想是利用光来间接控制细胞电位变化,以达到较少侵入性及更准确地控制和观察神经网络在完整有机体的功能。第一个关键突破是於2002年米森伯克及其同事所发明的光遗传学工具。他的研究小组使用自然光敏蛋白(视紫质),这是一种使视觉产生色素的蛋白。研究小组把果蝇的光敏视紫质基因植入脊椎动物的培养神经细胞。结果,培养细胞表现出由光引起的神经元活动模式。基於这个初步研究结果,米森伯克率先证明这种方法可应用於完整的果蝇,并且通过光学激活指定的环路,从而改变果蝇的行为。米森伯克在第一份报告中得出结论:「由於每个靶神经元都对光感产生反应,因此无需深入了解其空间坐标。这技术可同时准确地处理大量神经元,而不会对不同功能的周边神经元产生不良干扰。」米森伯克的方法开创了光遗传学的新纪元。

将这种方法应用於动物时,虽然果蝇视紫质对於光所作出反应,但反应比较缓慢,果蝇的遗传机制也过於简单,这些都是技术上的缺点。幸运的是,另一几乎和米森伯克的研究同时进行的衣藻趋光性的研究,发现一种较为简单受光调控的正离子通道蛋白。虽然视紫质最先是在某些原始微生物中发现并分离的,但藻类具有快速趋光反应,证明单个受体蛋白足以引起细胞膜电流的变化。在1991年发表的早期研究中,彼得 • 黑格曼在衣藻发现一种含视紫质的光受体。经过多年对光感的研究,黑格曼格奥尔格 • 内格尔合作并分别於2002年和2003年发表两篇论文,他们使用 基因克隆方法,证明两种光敏通道蛋白 ChR1 和 ChR2 的存在。关键是,该团队发现 ChR2 在脊椎动物细胞中表达该基因时,会引起极快的光诱导膜电流变化。这发现意味著光遗传学发展踏入第二个主要阶段。

黑格曼内格尔发现的 ChR2,可应用於各种细胞和组织的功能上。在2005年,戴塞罗斯和博伊顿的研究小组,以及几个月后独立进行研究的黑格曼、兰德梅赛和赫利茨小组,也证明了 ChR2应用於神经细胞和脊椎动物组织的优越特性。自此,戴塞罗斯和 博伊顿各自研发工具,将光准确地传递到哺乳类动物大脑深处神经网络。

这些基础科学上的发现,使我们获得重要的工具,能够清晰了解和精确地控制动物大脑中特定的神经网络。这些发现预示著探索认知和情感奥秘的黄金时代已经来临,人们终於可以在基因和细胞层面说明甚么是精神失常。
 

邵逸夫生命科学与医学奖遴选委员会
(译自英文原稿)


2020年5月21日  香港