Từ lâu, các nhà nghiên cứu đã mơ ước hiểu được cách não bộ hình thành ký ức, cảm xúc và hành vi. Karl Deisseroth, Peter Hegemann và Georg Nagel được trao Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2026 cho những khám phá dẫn tới sự ra đời của quang di truyền học, phương pháp cho phép bật hoặc tắt hoạt động của từng tế bào thần kinh riêng lẻ trong một bộ não sống. Ngày nay, phương pháp này đang được sử dụng trong các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới để khám phá những bí ẩn của não bộ.

“Đối với tôi, chính bộ não của mình là một cỗ máy khó hiểu nhất - luôn vo ve, rung động, bay vút, gầm vang, lao xuống, rồi lại vùi mình trong bùn. Và tại sao? Niềm đam mê này là gì?”

Đó là những lời Virginia Woolf viết trong một bức thư gửi bạn vào năm 1932. Rất nhiều người cũng chia sẻ sự mê hoặc của bà đối với não bộ. Làm thế nào một cơ quan chỉ nặng khoảng 1,3 kg có thể lưu giữ ký ức thời thơ ấu, những giấc mơ ban ngày và khả năng sáng tạo? Làm thế nào nó có thể tạo ra niềm vui, tình yêu và sự ghen tuông? Làm thế nào nó kiểm soát nhịp tim, nhịp thở và chu kỳ ngủ?

Từ thời cổ đại, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm hiểu bí ẩn sinh học này. Trong thế kỷ XX, họ đã xác định thành công những vùng não kiểm soát các chức năng sinh lý khác nhau. Điều đó mang lại những hiểu biết vô cùng quý giá, nhưng các phương pháp có sẵn khi ấy còn tương đối thô sơ và không thể chứng minh rằng một loại tế bào thần kinh cụ thể trực tiếp gây ra một cảm xúc hay hành vi nhất định. Vì vậy, hình ảnh về não bộ khi đó giống như một bức ảnh bị mờ, còn thiếu rất nhiều chi tiết.

Một trong những người mơ ước có những công cụ chính xác hơn để khám phá mạng lưới tế bào thần kinh đặc biệt phức tạp của não là Francis Crick, người đoạt Giải Nobel năm 1962. Vài thập kỷ sau khám phá mang tính đột phá về cấu trúc xoắn kép của DNA năm 1953, ông bắt đầu nghiên cứu các cơ chế nền tảng của ý thức con người.

Crick hình dung ra những cách có thể kích hoạt từng tế bào thần kinh riêng lẻ trong một bộ não sống. Tín hiệu trong tế bào thần kinh diễn ra cực kỳ nhanh. Để theo kịp tốc độ đó, ông cho rằng ánh sáng có lẽ là công cụ lý tưởng. Nếu các nhà sinh học phân tử bằng cách nào đó có thể thao tác tế bào thần kinh và khiến chúng phản ứng với ánh sáng, họ có thể kiểm soát được hoạt động thần kinh.

Crick thừa nhận ý tưởng này nghe có vẻ xa vời, nhưng có lẽ không phải là không thể thực hiện.

Tầm nhìn tương lai ấy giờ đây đã trở thành hiện thực.

Karl Deisseroth, Peter Hegemann và Georg Nagel được trao Giải Nobel năm 2026 nhờ khám phá ra một công tắc phân tử dành cho tế bào thần kinh. Bằng ánh sáng, các nhà nghiên cứu giờ đây có thể bật hoặc tắt từng mạch thần kinh riêng biệt trong não. Họ có thể làm sống lại ký ức, tạo ra cảm xúc, thúc đẩy hành vi và nghiên cứu những loại neuron liên quan đến nhiều rối loạn tâm thần và thần kinh khác nhau.

Quang di truyền học đang làm thay đổi căn bản hiểu biết của chúng ta về não bộ. Phương pháp này cũng cung cấp những hiểu biết quan trọng về cách hệ thần kinh tương tác với nhiều loại tế bào ở các cơ quan khác trong cơ thể, chẳng hạn như tim và ruột.

Tất cả bắt đầu từ sự tò mò của một nhà nghiên cứu.

Đầu những năm 1990, Peter Hegemann tại Viện Max Planck về Hóa sinh ở Martinsried đặt ra một câu hỏi đơn giản: Làm thế nào loài tảo đơn bào Chlamydomonas có thể phản ứng với ánh sáng nhanh đến vậy?

Hegemann nghiên cứu cách một loài tảo bơi cảm nhận ánh sáng

Chlamydomonas nổi tiếng với khả năng bơi về phía ánh sáng.

Khi các nhà nghiên cứu khuấy loại tảo xanh này trong một đĩa petri, chất lỏng chuyển thành màu xanh nhạt. Nếu họ chiếu sáng vào một phía của đĩa, màu xanh sẽ dần tập trung về phía nguồn sáng khi những vi tảo bơi đến đó.

Tảo cảm nhận ánh sáng bằng một điểm mắt, một chấm nhỏ màu cam trên bề mặt tế bào có chứa retinal, phân tử có khả năng hấp thu ánh sáng.

Hegemann nghiên cứu điểm mắt của tảo. Sử dụng những điện cực cực nhỏ, ông đo các tín hiệu điện xuất hiện trong Chlamydomonas khi điểm mắt được chiếu sáng.

Tảo phản ứng nhanh đến kinh ngạc.

Chỉ 0,5 mili giây sau khi ánh sáng đến điểm mắt, một xung điện đã xuất hiện.

So với những hệ thống sinh học mà giới nghiên cứu biết vào thời điểm đó, tốc độ này nhanh một cách đáng kinh ngạc.

Ví dụ, ánh sáng đi vào mắt người sẽ kích hoạt một chuỗi phản ứng hóa học phức tạp gồm nhiều bước khác nhau. Protein cuối cùng trong chuỗi này — một kênh ion — tạo ra một lỗ mở trên bề mặt tế bào, cho phép các ion mang điện đi qua và tạo nên tín hiệu điện. Toàn bộ quá trình mất ít nhất 10 mili giây.

Vậy tại sao phản ứng với ánh sáng ở Chlamydomonas lại có thể nhanh hơn mắt người hơn 20 lần?

Phản ứng ánh sáng siêu nhanh của tảo khơi dậy sự tò mò của Hegemann

Hegemann chỉ có thể nghĩ ra một lời giải thích cho phản ứng cực nhanh này: quá trình ở Chlamydomonas hẳn phải đơn giản hơn rất nhiều so với ở mắt người.

Đầu những năm 1990, ông đưa ra giả thuyết rằng một phức hợp protein duy nhất vừa có khả năng hấp thu ánh sáng, vừa hoạt động như một kênh ion.

Tuy nhiên, giả thuyết này bị hoài nghi.

Vào thời điểm đó, các nhà nghiên cứu đã biết nhiều loại kênh ion khác nhau, nhưng chưa có loại nào có thể tự phản ứng với ánh sáng.

Để kiểm chứng giả thuyết, Hegemann cố gắng phân lập protein nhạy sáng của Chlamydomonas. Tuy nhiên, điều này nói thì dễ hơn làm.

Khi các protein trong điểm mắt của tảo bị tách khỏi môi trường tự nhiên, chúng trở nên không ổn định và dễ bị tổn thương, khiến việc nghiên cứu trở nên rất khó khăn.

Tuy nhiên, vào khoảng đầu thiên niên kỷ mới, sau nhiều năm thất bại, nhóm nghiên cứu đã có một phát hiện đáng chú ý.

Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã lập bản đồ DNA của Chlamydomonas và công bố mã di truyền của hàng nghìn gene. Trong số đó, nhóm của Hegemann phát hiện hai gene có nhiều điểm tương đồng đáng kể với những gene đã biết mã hóa protein hấp thu ánh sáng.

Liệu một trong hai gene này có chứa mã cho protein mà họ đang tìm kiếm?

Để trả lời câu hỏi đó, Hegemann liên hệ với một đồng nghiệp: Georg Nagel tại Viện Max Planck về Lý sinh ở Frankfurt.

Nagel có kiến thức cần thiết để thực hiện bước quyết định tiếp theo trên con đường sau này sẽ làm thay đổi ngành thần kinh học.

Hegemann và Nagel phát hiện một protein đặc biệt

Nagel sử dụng tế bào trứng ếch để nghiên cứu protein.

Khi nhận được hai gene của Chlamydomonas, ông lần lượt tiêm bản sao của từng gene vào những nhóm trứng ếch khác nhau. Các tế bào trứng sau đó bắt đầu sản xuất hàng loạt hai protein chưa biết.

Các protein này xuất hiện trên bề mặt tế bào trứng, nằm trong màng bao quanh tế bào.

Nagel có thể nghiên cứu cách chúng hoạt động và nhanh chóng phát hiện rằng giả thuyết Hegemann đưa ra từ một thập kỷ trước là chính xác: những protein mới được phát hiện là các kênh ion mở ra khi tiếp xúc với ánh sáng.

Các protein này được đặt tên là channelrhodopsin-1 và channelrhodopsin-2.

Ở đây, chúng ta sẽ tạm rời channelrhodopsin-1 để tập trung vào protein thứ hai, yếu tố đã mở đường cho quang di truyền học.

Protein của tảo kích hoạt tế bào người

Tương tự thí nghiệm của Hegemann, quá trình đặc trưng hóa channelrhodopsin-2 của Nagel cho thấy protein này phản ứng đặc biệt mạnh và nhanh với một xung ánh sáng.

Một kênh mở xuyên qua bề mặt tế bào trứng ếch chỉ trong vòng 0,2 mili giây.

Các ion mang điện tích dương sau đó đi qua kênh, tạo nên tín hiệu điện.

Hegemann và Nagel nhận ra họ đã thực hiện một khám phá mang tính cách mạng.

Họ thử đưa gene mã hóa channelrhodopsin-2 vào tế bào thận phôi người và tế bào thận của chuột hamster.

Các tế bào trở nên nhạy với ánh sáng: khi tiếp xúc với ánh sáng, chúng tạo ra tín hiệu điện.

Năm 2003, Hegemann và Nagel công bố kết quả thí nghiệm. Họ đề xuất rằng channelrhodopsin-2 có thể trở thành một công cụ mạnh mẽ để tạo xung điện trong tế bào bằng ánh sáng.

Sau đó, một nhà khoa học trẻ tại Đại học Stanford tiếp tục hành trình này.

Gặp gỡ bệnh nhân tâm thần là bước ngoặt với Deisseroth

Trong những năm 1990, khi Karl Deisseroth bắt đầu học y khoa, ông từng cân nhắc trở thành bác sĩ phẫu thuật thần kinh.

Nhưng một phần chương trình đào tạo của ông diễn ra tại một cơ sở tâm thần. Tại đây, ông bị ám ảnh bởi những đau khổ của bệnh nhân và nhu cầu được giúp đỡ của họ.

Đồng thời, ông bắt đầu tự hỏi tại sao não bộ có thể hoạt động khác nhau đến vậy ở những con người khác nhau.

Tại sao người mắc trầm cảm lại khó cảm nhận niềm vui đến thế? Điều gì gây ra tự kỷ hay những hoang tưởng trong tâm thần phân liệt?

Song song với việc học y khoa, Deisseroth lấy bằng tiến sĩ thần kinh học.

Trong phòng thí nghiệm, ông sử dụng những lát não mỏng và nghiên cứu chúng trong đĩa petri. Các nghiên cứu mang lại nhiều hiểu biết quan trọng, nhưng ông nhận ra rằng để hiểu được những bệnh lý gặp trong thực hành lâm sàng, ông cần nghiên cứu cách tế bào thần kinh hoạt động trong một bộ não sống.

Những nhà nghiên cứu khác cũng đang cố gắng phát triển các phương pháp cho phép kiểm soát hoạt động của những tế bào thần kinh cụ thể theo cách Francis Crick từng đề xuất.

Tuy nhiên, nhiều người lo ngại sẽ lãng phí thời gian và tiền bạc vào thứ dường như chỉ là một giấc mơ thiếu thực tế.

Deisseroth nhận ra ông phải chấp nhận nguy cơ thất bại.

Những phương pháp điều trị mà ông có thể cung cấp cho bệnh nhân hiếm khi đạt hiệu quả như mong muốn và thường gây ra những tác dụng phụ nghiêm trọng.

Nếu muốn tìm ra cách giúp họ tốt hơn, ông cần hiểu sâu hơn về não bộ.

Thành công: đưa protein của tảo vào tế bào thần kinh

Khi thành lập nhóm nghiên cứu riêng, Deisseroth và cộng sự bắt đầu tìm kiếm một protein có thể được sử dụng để kích hoạt xung điện trong tế bào thần kinh.

Họ thử nghiệm nhiều ứng viên khác nhau.

Khi Deisseroth biết đến khám phá về channelrhodopsin-2, ông viết thư cho Georg Nagel và hỏi liệu có thể nhận được DNA mã hóa protein này hay không.

Khi DNA được gửi đến phòng thí nghiệm của Deisseroth, ông đưa nó vào các tế bào thần kinh chuột được nuôi trong đĩa petri.

Ông lo rằng những tế bào thần kinh nhạy cảm sẽ bị ảnh hưởng tiêu cực bởi gene ngoại lai.

Nhưng chúng bắt đầu sản xuất channelrhodopsin-2 mà dường như không gặp vấn đề gì.

Khi nhóm nghiên cứu chiếu ánh sáng xanh lên các tế bào thần kinh, chúng phản ứng ngay lập tức.

Ánh sáng kích hoạt một tín hiệu thần kinh, và tín hiệu này có thể truyền sang những tế bào thần kinh khác.

Năm 2005, nhóm nghiên cứu của Deisseroth công bố phát hiện này.

Họ đã đạt được một cột mốc quyết định, dù Deisseroth hiểu rằng vẫn còn một hành trình dài phía trước trước khi đạt được mục tiêu: kiểm soát hoạt động của tế bào thần kinh trong động vật sống.

Điều khiển quang di truyền học các tế bào thần kinh trong não sống

Karl Deisseroth bắt đầu nhiều chương trình hợp tác, trong đó có Peter Hegemann và Georg Nagel.

Ông cũng chia sẻ khám phá của mình với những nhà nghiên cứu khác, những người hiểu được tiềm năng rất lớn của công nghệ này.

Với phòng thí nghiệm của Deisseroth giữ vai trò tiên phong, các nhà khoa học nhanh chóng phát hiện thêm nhiều protein có thể bật hoặc tắt tế bào thần kinh và được kích hoạt bởi những bước sóng ánh sáng khác nhau.

Năm 2006, phương pháp mới này được đặt tên là optogenetics – quang di truyền học.

Một năm sau, Deisseroth kích hoạt thành công các tế bào thần kinh trong não chuột sống.

Nhóm nghiên cứu đưa gene mã hóa channelrhodopsin-2 vào một loại tế bào thần kinh cụ thể tại vỏ não vận động, vùng não kiểm soát vận động.

Sau đó, họ chiếu sáng những tế bào thần kinh này bằng một sợi quang rất mảnh được đưa vào não qua một lỗ nhỏ trên hộp sọ.

Nhờ đó, họ có thể điều khiển chuyển động của ria chuột.

Cùng năm đó, hợp tác với các nhà nghiên cứu khác, Deisseroth sử dụng quang di truyền học để đánh thức chuột đang ngủ một cách có kiểm soát.

Nhóm nghiên cứu đưa channelrhodopsin-2 vào một loại tế bào thần kinh mới được phát hiện mà họ nghi ngờ có vai trò kiểm soát trạng thái thức.

Khi chiếu ánh sáng vào những tế bào này, chuột thức dậy, qua đó xác nhận giả thuyết.

Một nghiên cứu nổi tiếng khác trong giai đoạn đầu của quang di truyền học được công bố năm 2012.

Cùng với Susumu Tonegawa, người nhận Nobel năm 1987 cho những khám phá trong miễn dịch học, Deisseroth kích hoạt thành công một engram, tức mô hình cụ thể của các đường dẫn thần kinh hình thành khi một ký ức được tạo ra.

Các nhà nghiên cứu quan sát não chuột khi chúng trải nghiệm cảm giác sợ hãi và xác định những tế bào thần kinh dường như tham gia hình thành ký ức đó.

Khi sau đó họ tái kích hoạt những tế bào này, chuột biểu hiện dấu hiệu sợ hãi dù lúc đó không gặp nguy hiểm.

Đây là thí nghiệm đầu tiên cho phép các nhà nghiên cứu chứng minh chính xác những tế bào thần kinh nào cần thiết cho một ký ức cụ thể.

Một kỷ nguyên mới của khoa học thần kinh

Khả năng kích hoạt từng loại tế bào thần kinh riêng biệt trong não đã làm thay đổi căn bản hiểu biết của chúng ta về cơ quan kỳ diệu này.

Não người trưởng thành có khoảng 90 tỷ tế bào thần kinh, mỗi tế bào tạo hàng nghìn kết nối với những tế bào khác.

Trong nhiều trường hợp, đường dẫn của một tế bào thần kinh kéo dài đến một vùng hoàn toàn khác của não, trong khi những tế bào điều khiển các chức năng cơ thể hoàn toàn khác nhau có thể nằm xen kẽ rất gần nhau.

Nhờ quang di truyền học, các nhà nghiên cứu giờ đây có thể xác định chính xác những tế bào nào trong một bó thần kinh phức tạp kiểm soát những chức năng khác nhau của não.

Ví dụ, họ đã xác định các mạch thần kinh kiểm soát cảm giác đau, hành vi xã hội, khát nước, ăn uống, phần thưởng và sự chú ý.

Họ cũng tìm thấy những tế bào thần kinh chịu trách nhiệm cho nhiều chức năng khác nhau, từ kiểm soát nhịp sinh học cho đến gây sốt khi hệ miễn dịch được kích hoạt.

Khi nghiên cứu các hành vi phức tạp hơn, chẳng hạn cách chuột chăm sóc con, các nhà khoa học phát hiện rằng những thành phần khác nhau của một hành vi có thể được kiểm soát bởi những mạch thần kinh riêng biệt.

Ví dụ, một mạch kiểm soát việc chuột gom con về tổ, trong khi một mạch khác điều khiển cách chúng liếm và chăm sóc con.

Quang di truyền học cũng có thể được sử dụng để lập bản đồ hệ thần kinh và chức năng tế bào bên ngoài não.

Deisseroth đã chứng minh rằng nhịp tim có thể ảnh hưởng đến cảm xúc của chúng ta; nếu tim bị buộc phải hoạt động mạnh hơn, điều này có thể làm tăng cảm giác lo âu.

Những nhà nghiên cứu khác đã xác định các tế bào đặc hiệu trong ruột có thể giải thích vì sao một số người thích đường hơn chất tạo ngọt, chỉ là hai ví dụ trong vô số ứng dụng.

Hy vọng về những phương pháp điều trị mới

Hy vọng rằng kiến thức tạo ra từ quang di truyền học sẽ dẫn đến những phương pháp điều trị mới đã bắt đầu trở thành hiện thực.

Phương pháp này giúp tăng hiểu biết về những đặc điểm khác biệt của nhiều rối loạn tâm thần và thần kinh như trầm cảm, lo âu, tâm thần phân liệt, bệnh Alzheimer và Parkinson.

Các nhà nghiên cứu cũng đã thực hiện những bước đầu tiên nhằm sử dụng quang di truyền học như một phương pháp điều trị y khoa.

Trong các thử nghiệm lâm sàng đang diễn ra, họ cố gắng khôi phục thị lực cho những người bị mù do viêm võng mạc sắc tố, một bệnh phá hủy các tế bào que và nón của mắt.

Khi đưa một protein tương tự channelrhodopsin vào võng mạc của một người mù, người đó đã lấy lại được một phần thị lực.

Sử dụng một loại kính đặc biệt phát ra ánh sáng, người bệnh có thể nhận biết và cầm nắm các vật trên bàn.

Ngoài ra còn có hy vọng rằng quang di truyền học có thể cải thiện ốc tai điện tử.

Hiện nay, các thiết bị này kích thích dây thần kinh thính giác bằng điện. Nếu thay vào đó có thể sử dụng quang di truyền học, ốc tai điện tử có thể kích hoạt dây thần kinh thính giác với độ chính xác cao hơn.

Quang di truyền học: phương pháp làm thay đổi khoa học thần kinh

Karl Deisseroth, Peter Hegemann và Georg Nagel được trao Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2026 vì những khám phá dẫn đến sự ra đời của một công cụ vô cùng mạnh mẽ đã làm thay đổi ngành thần kinh học.

Quang di truyền học tiếp tục giúp giải mã một trong những bí ẩn lớn nhất của nhân loại:

Não bộ hoạt động như thế nào?

Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2026

“Vì những khám phá liên quan đến các kênh ion điều khiển bằng ánh sáng và quang di truyền học.”

KARL DEISSEROTH

Sinh năm 1971. Nhận bằng Tiến sĩ năm 1998 và bằng Bác sĩ năm 2000 tại Đại học Stanford, Hoa Kỳ. Giáo sư D.H. Chen, Giáo sư Kỹ thuật sinh học, Tâm thần học và Khoa học hành vi tại Howard Hughes Medical Institute và Đại học Stanford, Hoa Kỳ.

PETER HEGEMANN

Sinh năm 1954. Nhận bằng Tiến sĩ năm 1984 tại Viện Max Planck về Hóa sinh, Martinsried, Đức. Giáo sư cao cấp Hertie về Khoa học thần kinh tại Đại học Humboldt Berlin, Đức.

Những khám phá được trao giải được thực hiện tại Viện Max Planck về Hóa sinh, Martinsried, Đức.

GEORG NAGEL

Sinh năm 1953. Nhận bằng Tiến sĩ năm 1988 tại Đại học Frankfurt, Đức. Giáo sư Sinh lý học thực vật phân tử tại Khoa Sinh lý học thực vật phân tử và Lý sinh – Botany I, Đại học Würzburg, Đức.

Những khám phá được trao giải được thực hiện tại Viện Max Planck về Lý sinh, Frankfurt, Đức.

Các công bố khoa học chính

Harz H, Nonnengasser C, Hegemann P. The photoreceptor current of the green alga Chlamydomonas. Philos Trans R Soc Lond Ser B Biol Sci. 1992;338:39–52.

Nagel G, Ollig D, Fuhrmann M, Kateriya S, Musti AM, Bamberg E, Hegemann P. Channelrhodopsin-1: a light-gated proton channel in green algae. Science. 2002;296:2395–2398.

Nagel G, Szellas T, Huhn W, Kateriya S, Adeishvili N, Berthold P, Ollig D, Hegemann P, Bamberg E. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation selective membrane channel. Proc Natl Acad Sci USA. 2003;100:13940–13945.

Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat Neurosci. 2005;8:1263–1268.

Aravanis AM, Wang LP, Zhang F, Meltzer LA, Mogri MZ, Schneider MB, Deisseroth K. An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology. J Neural Eng. 2007;4–156.

Biên tập khoa học: Abdel El Manira, Sten Linnarsson, Thomas Perlmann, Per Svenningsson và Anna Wedell, Ủy ban Nobel về Sinh lý học hoặc Y học
Nội dung: Ann Fernholm
Bản dịch tiếng Anh: Clare Barnes
Minh họa: Mattias Karlén