В этом году Нобелевская премия отмечает свое 125-летие. Нобелевская неделя 2026 г. началась 5 октября с присуждения Нобелевской премии по физиологии и медицине Карлу Дессейроту (США), Петеру Хегемману (Германия) и Георгу Нагелю (Германия)«За открытия, касающиеся светоуправляемых ионных каналов и оптогенетики».



Белок водорослей, чувствительный к свету, активизировал нейробиологию

Понимание того, как мозг формирует воспоминания, чувства и поведение, долгое время оставалось мечтой исследователей. Карл Дейссерот, Петер Хегеманн и Георг Нагель удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине 2026 года за открытия, приведшие к развитию оптогенетики, которая позволяет включать или выключать активность отдельных нервных клеток в живом мозге. Этот метод сейчас используется в лабораториях по всему миру для раскрытия тайн мозга.

«Мой собственный мозг для меня — это самый неуловимый из механизмов: он постоянно жужжит, гудит, парит, ревёт, ныряет, а потом зарывается в грязь. И почему? Что это за страсть?»

Это слова Вирджинии Вульф из письма подруге, написанного в 1932 году. Многие разделяют её восхищение мозгом. Как этот орган, весящий всего около 1,3 килограмма, может хранить детские воспоминания, мечты и творческие идеи? Как он может быть причиной радости, любви и ревности? Как он контролирует ритм сердцебиения, ритм дыхания и цикл сна?

С древних времен исследователи пытались разгадать эту биологическую загадку. В ХХ веке им удалось успешно определить, какие области мозга управляют различными физиологическими функциями. Это дало бесценные знания, но доступные в то время методы были относительно примитивными и не могли доказать, что определенный тип нервных клеток непосредственно вызывает то или иное чувство или поведение. Поэтому полученное изображение мозга напоминало размытую фотографию, в которой отсутствовали многие детали.

Одним из тех, кто мечтал о более точных инструментах для исследования исключительно сложной сети нервных клеток мозга, был Фрэнсис Крик (Нобелевская премия 1962 года). Спустя несколько десятилетий после новаторского открытия двойной спирали ДНК в 1953 году он начал исследовать механизмы, лежащие в основе человеческого сознания. Он представлял себе способы активации отдельных нервных клеток в живом мозге. Сигналы в нервных клетках передаются чрезвычайно быстро. Чтобы соответствовать этой скорости, он пришел к выводу, что, вероятно, идеальным вариантом было бы использование света. Если бы молекулярные биологи смогли каким-то образом манипулировать нервными клетками и заставить их реагировать на свет, они могли бы контролировать нейронную активность. Крик признал, что его идея звучала надуманно, но, возможно, не совсем невыполнимо.

Его видение будущего теперь стало реальностью. Карл Дейссерот, Петер Хегеманн и Георг Нагель удостоены Нобелевской премии 2026 года за открытие молекулярного переключателя для нервных клеток. Используя свет, исследователи теперь могут включать или выключать отдельные нейронные цепи в мозге. Они могут оживлять воспоминания, создавать чувства, управлять поведением и изучать типы нейронов, участвующих в различных психических и неврологических расстройствах. Оптогенетика коренным образом меняет наше понимание мозга. Она также дала важные сведения о том, как нервная система взаимодействует с различными клетками в других областях тела, таких как сердце и кишечник.

Все началось с любопытства одного исследователя. В начале 1990-х годов Петер Хегеманн из Института биохимии им. Макса Планка в Мартинсриде задал простой вопрос: как одноклеточная водоросль Chlamydomonas может так быстро реагировать на свет?

Хегеманн исследует, как плавающая водоросль воспринимает свет

Хламидомонас известна своей способностью плыть к свету. Когда исследователи перемешивают эту зеленую водоросль в чашке Петри, жидкость приобретает бледно-зеленый цвет. Если затем осветить одну сторону чашки, зеленый цвет смещается в сторону источника света, поскольку микроскопические водоросли плывут к нему. Водоросли воспринимают свет с помощью «глазного пятна» — крошечной оранжевой точки на поверхности клетки, содержащей светочувствительную молекулу ретиналь.

Хегеманн исследовал глазное пятно водорослей. Используя крошечные электроды, он измерил электрические сигналы, возникающие у Chlamydomonas при освещении глазного пятна. Водоросли реагировали невероятно быстро. Всего через полмиллисекунды после того, как свет достиг глазного пятна, возникал электрический импульс.

По сравнению с другими известными на тот момент биологическими системами, это было удивительно быстро. Например, свет, достигающий человеческого глаза, запускает сложную химическую цепную реакцию, включающую множество различных этапов. Конечный белок в этой цепочке — ионный канал — образует отверстие на поверхности клетки, через которое могут проходить заряженные ионы, создавая электрический сигнал. Весь процесс занимает не менее 10 миллисекунд. Так как же реакция на свет у хламидомоны может быть более чем в двадцать раз быстрее , чем в наших собственных глазах?

Быстрая световая реакция водорослей пробудила любопытство Гегемана

Хегеманн смог предложить лишь одно объяснение этой сверхбыстрой реакции: процесс у хламидомоны должен быть гораздо проще , чем в человеческом глазу. В начале 1990-х годов он сформулировал гипотезу о том, что единый белковый комплекс одновременно захватывает свет и действует как ионный канал. Однако его предложение было встречено со скептицизмом. В то время исследователям было известно о многих различных типах ионных каналов, но ни один из них не мог реагировать на свет самостоятельно.

Чтобы проверить свою гипотезу, Хегеманн попытался выделить светочувствительный белок Chlamydomonas . Однако это оказалось проще сказать, чем сделать. Когда белки в глазке водоросли извлекали из их естественной среды, они становились нестабильными и легко повреждались, что затрудняло их изучение. Однако на рубеже тысячелетий, после многих лет неудач, исследовательская группа сделала интригующее открытие. Японские исследователи картировали ДНК Chlamydomonas и предоставили доступ к генетическому коду тысяч генов. Среди них группа Хегеманна обнаружила два гена, которые имели значительное сходство с известными генами светочувствительных белков. Мог ли какой-либо из этих генов содержать код искомого ими белка?

Чтобы ответить на этот вопрос, Хегеманн связался со своим коллегой: Георгом Нагелем из Института биофизики им. Макса Планка во Франкфурте. Он обладал необходимыми знаниями, чтобы сделать следующий решающий шаг на пути к тому, что впоследствии произведет революцию в нейробиологии.

Хегеманн и Нагель открыли замечательный белок

Нагель использовал яйцеклетки лягушек для изучения белков. Получив два гена Chlamydomonas, он ввел их копии по отдельности в разные партии лягушачьих яйцеклеток, которые затем начали массово производить два неизвестных белка. Белки оказались на поверхности яйцеклеток, в окружающей их мембране. Затем Нагель смог исследовать, как они функционируют, и быстро обнаружил, что гипотеза, сформулированная Гегеманом десятилетием ранее, верна: вновь открытые белки представляли собой ионные каналы, которые открывались при воздействии света.

Эти белки получили названия каналородопсин-1 и каналородопсин-2. Первый из них мы оставим в стороне и сосредоточимся на втором, который проложил путь к оптогенетике.

Как и в эксперименте Гегемана, исследование каналородопсина-2, проведенное Нагелем, показало, что он исключительно сильно и быстро реагирует на световой импульс. В течение 0,2 миллисекунды через поверхность яйцеклетки лягушки открывался канал. Затем через этот канал проходили положительно заряженные ионы, создавая электрический сигнал.

Хегеманн и Нагель поняли, что совершили революционное открытие. Они провели эксперимент по введению гена каналородопсина-2 в эмбриональные клетки почек человека и в клетки почек хомяков. Клетки стали светочувствительными: при воздействии света они генерировали электрический сигнал.

В 2003 году Хегеманн и Нагель опубликовали результаты своего эксперимента. Они предположили, что каналородопсин-2 может быть использован в качестве мощного инструмента для генерации электрических импульсов в клетках с помощью света. После этого эстафету подхватил молодой ученый из Стэнфордского университета.

Для Дейссерота решающим фактором стали встречи с психиатрическими пациентами

В 1990-х годах, когда Карл Дейссерот начал изучать медицину, он рассматривал возможность стать нейрохирургом, но часть своей подготовки проходил в психиатрической клинике. Там его поразили страдания пациентов и их потребность в помощи. В то же время он начал задумываться о том, как мозг может работать настолько по-разному у разных людей. Почему людям с депрессией так трудно испытывать радость? Что вызывает аутизм или шизофренические бредовые идеи?

Параллельно с медицинскими исследованиями он получил докторскую степень по нейробиологии. В лаборатории он использовал тонкие срезы мозга и исследовал их в чашках Петри. Его исследования дали важные результаты, но он понял, что для понимания заболеваний, с которыми он сталкивался в клинике, ему необходимо изучить, как функционируют нервные клетки в живом мозге.

Другие исследователи пытались разработать методы, позволяющие контролировать активность отдельных нервных клеток так, как это предлагал Фрэнсис Крик. Однако многие из них опасались тратить время и деньги на то, что казалось нереалистичной мечтой. Дейссерот понимал, что ему придётся рискнуть и потерпеть неудачу; предлагаемые им методы лечения редко оказывались эффективными и часто вызывали изнурительные побочные эффекты. Чтобы найти лучший способ помочь им, ему необходимо было глубже понять работу мозга.

Успех! Перемещение белка водорослей в нервные клетки

Когда Дейссерот создал свою исследовательскую группу, они начали искать белок, который можно было бы использовать для запуска электрических импульсов в нервных клетках. Они протестировали множество кандидатов, и когда Дейссерот узнал об открытии каналородопсина-2, он написал Георгу Нагелю и спросил, может ли он получить доступ к ДНК, кодирующей этот белок.

Когда ДНК попала в лабораторию Дейссерота, он ввёл её в нервные клетки крыс, культивируемые в чашках Петри. Он опасался, что чувствительные нервные клетки могут быть негативно затронуты чужеродным геном, но они начали вырабатывать каналородопсин-2 без видимых проблем. Когда исследовательская группа подвергла нервные клетки воздействию синего света, клетки отреагировали немедленно. Свет вызвал нервный сигнал, который мог передаваться другим нервным клеткам.

В 2005 году исследовательская группа Дейссерота опубликовала свое открытие. Они достигли решающего рубежа, хотя Дейссерот понимал, что ему предстоит долгий путь до достижения своей цели: способности контролировать активность нервных клеток в живых организмах.

Оптогенетический контроль нервных клеток в живом мозге

Карл Дейссерот начал многочисленные совместные исследования, в том числе с Петером Хегеманом и Георгом Нагелем. Он также поделился своим открытием с другими исследователями, которые понимали его огромный потенциал. Под руководством лаборатории Дейссерота исследователи вскоре обнаружили больше белков, способных включать и выключать нервные клетки, и которые активируются различными длинами волн света.

В 2006 году этот новый метод получил название оптогенетика. Год спустя Дейссерот успешно активировал нервные клетки в мозге живых мышей. Его исследовательская группа ввела ген каналородопсина-2 в определенный тип нервных клеток в моторной коре, области мозга, отвечающей за движение. Затем они осветили нервные клетки тонким оптическим волокном, которое ввели в мозг через небольшое отверстие в черепе. Это позволило им контролировать движения вибрисс мышей.

В том же году, работая с другими исследователями, Дейссерот использовал оптогенетику для контролируемого пробуждения спящих мышей. Исследовательская группа ввела каналородопсин-2 в недавно обнаруженный тип нервных клеток, которые, как они предполагали, контролируют бодрствование. Когда они направили свет на нервные клетки, мыши проснулись, подтвердив гипотезу.

Еще одна известная работа, относящаяся к зарождению оптогенетики, была опубликована в 2012 году. Вместе с Сусуму Тонегавой (лауреатом Нобелевской премии 1987 года за открытия в области иммунологии) Дейссерот успешно активировал энграмму — специфическую последовательность нейронных путей, которая формируется при создании воспоминания. Исследователи изучали мозг мышей, испытывавших страх, и отмечали, какие нервные клетки, по-видимому, формируют воспоминание об этом опыте. Когда позже они повторно активировали эти нервные клетки, мыши проявляли признаки страха, несмотря на то, что в тот момент им ничего не угрожало. Это был первый эксперимент, в котором исследователи смогли точно продемонстрировать, какие именно нервные клетки необходимы для формирования конкретного воспоминания.

Новая эпоха в нейробиологии

Возможность активировать отдельные типы нервных клеток в головном мозге коренным образом изменила наше понимание этого невероятного органа. В головном мозге взрослого человека содержится около 90 миллиардов нервных клеток, каждая из которых образует тысячи связей с другими нервными клетками. Во многих случаях путь от нервной клетки тянется к совершенно другой области мозга, в то время как нервные клетки, управляющие совершенно разными физиологическими функциями, могут быть тесно переплетены.

Благодаря оптогенетике исследователи теперь могут точно определить, какие именно нервные клетки в сложном пучке контролируют различные функции мозга. Например, они идентифицировали нейронные цепи, которые регулируют чувство боли, социальное поведение, жажду, потребление пищи, систему вознаграждения и внимание. Они также обнаружили нервные клетки, ответственные за различные функции, от контроля циркадного ритма до возникновения лихорадки при активации иммунной системы.

Когда исследователи изучали более сложные модели поведения, такие как уход мышей за потомством, они обнаружили, что различные компоненты поведения могут контролироваться отдельными нейронными цепями. Одна цепь, например, регулирует то, как мыши собирают своих детенышей в гнездо, а другая — то, как они их чистят.

Оптогенетика также может использоваться для картирования нервной системы и клеточных функций вне головного мозга. Дейссерот продемонстрировал, что сердечный ритм может влиять на наши эмоции; если сердцу приходится работать интенсивнее, это может усиливать чувство тревоги. Другие исследователи выявили специфические клетки в кишечнике, которые могут объяснить, почему некоторые люди предпочитают сахар подсластителям, и это лишь несколько из множества примеров.

Надежда на новые методы лечения

Надежда на то, что знания, полученные с помощью оптогенетики, приведут к разработке новых методов лечения, начинает оправдываться. Этот метод позволил лучше понять отличительные особенности психических и неврологических расстройств, таких как депрессия, тревожность, шизофрения, болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона.

Исследователи также сделали первые шаги к использованию оптогенетики в качестве метода лечения. В ходе продолжающихся клинических испытаний они пытаются восстановить зрение у людей, ослепших из-за пигментного ретинита — заболевания, разрушающего палочки и колбочки глаза. Когда они ввели белок, подобный каналородопсину, в сетчатку слепого человека, тот частично восстановил зрение. Используя специальные очки, излучающие свет, человек смог различать и брать предметы на столе.

Также есть надежда, что оптогенетика сможет улучшить кохлеарные имплантаты. В настоящее время эти имплантаты стимулируют слуховой нерв с помощью электричества. Если бы вместо этого можно было использовать оптогенетику, имплантат мог бы активировать слуховой нерв с большей точностью.

Оптогенетика: революционный метод в нейробиологии.
Карл Дейссерот, Петер Хегеманн и Георг Нагель удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине 2026 года за свои открытия, которые привели к созданию невероятно мощного инструмента, изменившего нейробиологию. Оптогенетика продолжает разгадывать одну из величайших загадок человечества: как работает мозг.

Нобелевская премия по физиологии или медицине 2026 года
«За открытия, касающиеся светоуправляемых ионных каналов и оптогенетики»

Карл Дейссерот
Родился в 1971 году. Получил степень доктора философии в 1998 году и степень доктора медицины в 2000 году в Стэнфордском университете, США. Профессор имени Д. Х. Чена, профессор биоинженерии, психиатрии и поведенческих наук в Медицинском институте Говарда Хьюза и Стэнфордском университете, США.

Петер Хегеманн
Родился в 1954 году. Получил степень доктора философии в 1984 году в Институте биохимии им. Макса Планка, Мартинсрид, Германия. Старший профессор нейробиологии им. Герти, Берлинский университет им. Гумбольдта, Германия. Награжденные наградой открытия были сделаны в Институте биохимии им. Макса Планка, Мартинсрид, Германия.

Георг Нагель
Родился в 1953 году. Получил степень доктора философии в 1988 году в Университете Франкфурта, Германия. Профессор молекулярной физиологии растений на кафедре молекулярной физиологии растений и биофизики – ботаника I, Университет Вюрцбурга, Германия. Награжденные наградой открытия были сделаны в Институте биофизики им. Макса Планка, Франкфурт, Германия.

Ключевые публикации

Харц, Х., Нонненгассер, К., Хегеманн, П. Фоторецепторный ток зеленой водоросли Chlamydomonas. Philos. Trans. R. Soc. Lond. Ser. B: Biol. Sci . 1992:338:39–52.

Нагель Г. , Оллиг Д., Фурманн М., Катерия С., Мусти А.М., Бамберг Э., Хегеманн П. Канал родопсин-1: светозапираемый протонный канал в зеленых водорослях. Наука . 2002: 296: 2395–2398.

Нагель Г. , Шеллас Т., Хун В., Катерия С., Адейшвили Н., Бертольд П., Оллиг Д., Хегеманн П. , Бамберг Э. Каналродопсин-2, катион-селективный мембранный канал, непосредственно управляемый светом. Труды Национальной академии наук США 2003:100:13940–13945.

Бойден Э.С., Чжан Ф., Бамберг Э., Нагель Г., Дейссерот К. Оптическое управление нейронной активностью с помощью генетического метода в масштабе миллисекунд. Nat. Neurosci. 2005:8:1263–1268.

Араванис А.М., Ван Л.П., Чжан Ф, Мельцер Л.А., Могри М.З., Шнайдер М.Б., Дейссерот К. Оптический нейронный интерфейс: управление двигательной корой головного мозга грызунов in vivo с помощью интегрированной волоконно-оптической и оптогенетической технологии. J Neural Eng . 2007:4:S143–156.

Nobelprize.org

---

На развитие сайта
​