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新聞稿

2020年度邵逸夫生命科學與醫學獎平均頒予格羅 • 米森伯克 (Gero Miesenböck)彼得 • 黑格曼 (Peter Hegemann)格奧爾格 • 內格爾 (Georg Nagel),以表彰他們所研發的光遺傳學,一項徹底改革了神經科學發展的技術。格羅 • 米森伯克是 英國牛津大學韋恩弗萊特生理學講座教授暨神經迴路與行為中心主任。彼得 • 黑格曼是德國柏林洪堡大學神經科學赫蒂講座教授暨生物物理系系主任。格奧爾格 • 內格爾是德國維爾茨堡大學 分子植物生理學教授。

要明白大腦的運作是一項艱巨的挑戰。 鑑於人類大腦中有許多個億的神經細胞,每個神經元可以與其他神經元進行數以千計的接觸,導致天文數字的突觸連接。感謝2020年度邵逸夫生命科學與醫學獎得獎人:牛津大學的格羅 • 米森伯克、柏林洪堡大學的彼得 • 黑格曼和維爾茨堡大學的格奧爾格 • 內格爾,他們近年在科學技術方面的發現提供了有效的工具,讓我們能夠追踪和控制實驗動物的神經網絡。

神經科學家一直在尋找可控制個別神經細胞活動的方法,以便觀察細胞之間交流時所用的網絡,並確定細胞交流過程的調控。在過去一個多世紀,科學家通過化學或物理方法直接激活局部的神經細胞,以檢測和控制神經網絡裡的細胞電位變化。神經科學家的夢想是利用光來間接控制細胞電位變化,以達到較少侵入性及更準確地控制和觀察神經網絡在完整有機體的功能。第一個關鍵突破是於2002年米森伯克及其同事所發明的光遺傳學工具。他的研究小組使用自然光敏蛋白(視紫質),這是一種使視覺產生色素的蛋白。研究小組把果蠅的光敏視紫質基因植入脊椎動物的培養神經細胞。結果,培養細胞表現出由光引起的神經元活動模式。基於這個初步研究結果,米森伯克率先證明這種方法可應用於完整的果蠅,並且通過光學激活指定的環路,從而改變果蠅的行為。米森伯克在第一份報告中得出結論:「由於每個靶神經元都對光感產生反應,因此無需深入了解其空間坐標。這技術可同時準確地處理大量神經元,而不會對不同功能的周邊神經元產生不良干擾。」米森伯克的方法開創了光遺傳學的新紀元。

將這種方法應用於動物時,雖然果蠅視紫質對光作出反應,但反應比較緩慢,果蠅的遺傳機制也相對地複雜,這些都是技術上的缺點。幸運的是,另一幾乎和米森伯克的研究同時進行的衣藻趨光性的研究,發現一種較為簡單受光調控的正離子通道蛋白。雖然視紫質最先是在某些原始微生物中發現並分離的,但藻類具有快速趨光反應,證明單個受體蛋白足以引起細胞膜電流的變化。在1991年發表的早期研究中,彼得 • 黑格曼在衣藻發現一種含視紫質的光受體。經過多年對光感的研究,黑格曼格奧爾格 • 內格爾合作並分別於2002年和2003年發表兩篇論文,他們使用基因克隆方法,證明兩種光敏通道蛋白 ChR1 和 ChR2 的存在。關鍵是,該團隊發現 ChR2 在脊椎動物細胞中表達該基因時,會引起極快的光誘導膜電流變化。這發現意味著光遺傳學發展踏入第二個主要階段。

黑格曼內格爾發現的 ChR2,可應用於各種細胞和組織的功能上。在2005年,戴塞羅斯和博伊頓的研究小組,以及幾個月後獨立進行研究的黑格曼、蘭德梅賽和赫利茨小組,也證明了 ChR2應用於神經細胞和脊椎動物組織的優越特性。自此,戴塞羅斯和 博伊頓各自研發工具,將光準確地傳遞到哺乳類動物大腦深處神經網絡。

這些基礎科學上的發現,使我們獲得重要的工具,能夠清晰了解和精確地控制動物大腦中特定的神經網絡。這些發現預示著探索認知和情感奧秘的黃金時代已經來臨,人們終於可以在基因和細胞層面說明甚麼是精神失常。
 

邵逸夫生命科學與醫學獎遴選委員會
(譯自英文原稿)


2020年7月21日  香港   (修正版)