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光遗传通常是指结合光学与遗传学手段，精确控制特定神经元活动的技术。

光遗传学的核心原理是通过基因工程手段，将光敏蛋白导入特定神经元，再用特定波长的光进行照射，即可精准地激活或抑制这些神经元的活动 ^[5]。

光遗传学起源于2000年在斯坦福大学的一次深夜闲谈中，卡尔·戴塞洛斯（Karl Deisseroth）和Ed Boyden开始反复推敲有关识别以及最终操纵特定大脑回路活动的方法方面的想法 ^[4]。2002年至2003年间，彼得·黑格曼（Peter Hegemann）与格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel）在莱茵衣藻中发现并鉴定了两种光控离子通道：通道视紫红质-1（ChR1）和通道视紫红质-2（ChR2） ^[8]。2005年，戴塞洛斯团队将ChR2引入神经元，证明短暂的蓝光刺激即可在毫秒尺度上精准控制神经元放电活动，由此奠定了现代光遗传学的技术基础 ^[6]。“光遗传学”这一术语于2006年首次出现于学术论文。2007年，戴塞洛斯让这一光控开关在活体小鼠的大脑中得到应用。斯坦福大学Deisseroth实验室关于光控制神经回路的研究被麻省理工学院技术综述评为该年度十大最有影响的技术之一。2010年该技术入选Nature Methods年度方法（Method of the Year），Science杂志“十年突破（Breakthroughs of the Decade）”。2026年10月5日，瑞典卡罗琳医学院宣布将2026年诺贝尔生理学或医学奖授予卡尔·戴塞洛斯（Karl Deisseroth）、彼得·黑格曼（Peter Hegemann）和格奥尔格·纳格尔（Georg Nagel），以表彰他们在光门控离子通道和光遗传学方面的发现 ^[5] [7-8]。

光遗传通常是指结合光学与遗传学手段，精确控制特定神经元活动的技术。斯坦福大学Diesseroth实验室2007 年发表在《自然》(Nature)上关于光控制神经回路的文章，被麻省理工学院技术综述评为该年度十大最有影响的技术之一。2010年该技术入选Nature Methods 年年度方法（Method of the Year）”，Science杂志“十年突破（Breakthroughs of the Decade）”

该技术利用分子生物学、病毒生物学等手段，将外源光敏感蛋白基因导入活细胞中，在细胞膜结构上表达了光敏感通道蛋白；然后通过特定波长光的照射，控制细胞膜结构上的光敏感通道蛋白的激活与关闭；光敏感蛋白的激活和关闭可控制细胞膜上离子通道的打开与关闭，进而改变细胞膜电压的变化，如膜的去极化与超极化。当膜电压去极化超过一定阈值时就会诱发神经元产生可传导的电信号，即神经元的激活；相反，当膜电压超极化到一定水平时，就会抑制神经元动作电位的产生，即神经元的抑制。神经元生物学家经常运用这种技术，通过光学方法无损伤或低损伤地控制特异神经元的活动，来研究该神经网络功能，特别适用于在体、甚至清醒动物行为学实验。

同时，利用类似的光学与遗传学手段，可控制脑细胞外其它细胞中的蛋白表达，从而实现光诱导蛋白质表达，启动细胞内生物学过程，进而控制生物行为。因此光遗传技术在生命活动与疾病研究中应用广泛。

1.活化神经元的光遗传学工具

在特定波段光的激发下，诱导光敏感蛋白的激活，促使神经元细胞膜去极化的工具即为活化神经元的光遗传工具。其中，典型的用于激活神经元的光敏感通道蛋白ChR2（channelrhodopsin），最早从莱茵衣藻中发现，后经人为突变、修饰，改造成能适用于哺乳动物细胞、表达稳定对细胞无毒的工具。该蛋白在蓝光（最大激发峰在470nm波长附近）的激发下会诱导阳离子通道的打开，促使神经元的去极化，进而诱发动作电位，激活神经元。如图1左侧图示。

2. 抑制性神经元光遗传工具

播报

编辑

（optogenetics for inhibition of neuronal activity）

在特定波段光的激发下，诱导光敏感蛋白的激活，促使神经元细胞膜超极化的工具即为抑制神经元的光遗传工具。其中典型的抑制神经元活动的光敏感蛋白NpHR（盐系菌视紫红质），最早从嗜盐碱菌里发现，NpHR在黄绿光（最大激发峰在590nm波长附近）的激发下会诱导氯离子通道的打开，氯离子内流造成神经元的超极化，从而抑制神经元动作电位的产生；当然还有在苏打盐红菌里发现的Arch（古紫质），它在黄绿光（最大激发峰在566nm波长附近）的激发下会诱导质子的外流，从而产生超极化信号，抑制神经元的活动。如图一右侧图示。

光遗传工具调控膜电压控制神经发放工作原理

图1 光遗传工具调控膜电压控制神经发放工作原理[2]

3.应用实例

以下图2-4给出一些应用实例，分别是在脑片和完整动物上进行的利用光控制神经活动的实验。

应用实例

图2 蓝光精确控制表达ChR2-EYFP的神经细胞诱导大鼠前度前额叶皮层神经元的活动

a）离体原理图，b）活体实验图

绿光通过控制表达有NpHR蛋白神经细胞

图3 绿光通过控制表达有NpHR蛋白神经细胞迅速并可逆地抑制大鼠前度前额叶皮层自发活动（上：示意，下：电活动在激光开启时被抑制）

光纤传输蓝光控制自由活动动物的运动方向改变

图4 光纤传输蓝光控制自由活动动物的运动方向改变。

右侧次级运动皮层（M2）锥体细胞受光照，小鼠持续左转，光刺激消失后立即恢复自由运动

4. 脑机接口中的光遗传学应用

侵入式脑机接口的电极植入脑组织后，其工作时产生的放热会影响大脑组织。针对发热问题，可通过光遗传学操控等手段减少脑内能量的产生。将光遗传学生物器件植入脑内，在解读脑信号时只产生较低热量 ^[1]。

5. 无线光控镇痛系统

中国科学院西安光机所联合空军军医大学研发出一种无线光控“镇痛”系统。慢性疼痛影响全球数亿人，传统疗法存在疗效有限、副作用大等不足。光遗传技术虽可用光精准控制神经细胞，但需植入光纤、创伤大且可见光穿透力弱 ^[2]。

研究团队合成了一种核壳结构的上转换纳米颗粒，注射到疼痛传导关键部位——背根神经节附近后，能将体外穿透皮肤的近红外光就地转换为蓝色可见光，命令痛觉神经细胞停止放电，阻断疼痛信号传导。该系统实现了“体外照光、体内止痛”的无线微创调控 ^[2]。

在小鼠实验中，近红外光照射后小鼠机械痛阈和热痛阈均显著提高，镇痛效果随光功率增加而增强。该研究为慢性疼痛的精准微创治疗及深部神经调控开辟了新路径 ^[2]。

6. 新型光遗传学成像与操控平台

美国科罗拉多大学安舒茨分校和博尔德分校的研究团队于2026年开发出一款名为Opto2P FCM的头戴式微型显微镜。该设备轻巧灵便，可在动物自由活动时使用。其核心创新在于采用双通路光学设计，将高分辨率脑成像与基于光的靶向刺激（光遗传技术）融为一体。这一平台使得研究人员能够实时观察并精确控制单个脑细胞的活动，在自由活动的动物中实现了对神经回路功能的在体监测与操控结合。它解决了传统双光子显微镜要求观察目标静止、以及以往微型显微镜牺牲图像质量或精准刺激能力的问题。该技术有望加速对大脑行为控制机制的研究，并为阿尔茨海默病、帕金森病和癫痫等神经系统疾病的研究提供重要工具 ^[3]。

参考资料

• 1直击脑机接口技术“痛点”，前沿探索正多路并进．新华网．2026-04-29
• 2陕西科研团队取得新突破！．百家号．2026-07-24
• 3微型显微镜可实时观察和控制单个脑细胞．百家号．2026-08-14
• 4光遗传学(optogenetics)在线资源汇集．中国人民解放军空军军医大学．2014-12-29
• 5光遗传学摘得2026诺奖:一个百亿级赛道正在成形．百家号．2026-10-05
• 62026年诺贝尔生理学或医学奖公布,什么叫光遗传学?．百家号．2026-10-05
• 7神经科学新时代开启!2026年诺贝尔医学奖揭晓:三位“光遗传学”科学家获奖．百家号．2026-10-05
• 8为绘制大脑图谱提供梦想机会!三名光遗传学先驱斩获诺贝尔生理学或医学奖．百家号．2026-10-05

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