一种只有一个细胞、没有神经系统的绿藻，能察觉光从哪里来，朝合适的方向游去。今年的诺贝尔生理学或医学奖，要从它的这份本领说起。10月5日揭晓的这个奖项，由戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）、黑格曼（Peter Hegemann）和纳格尔（Georg Nagel）共同获得，表彰他们有关光控离子通道与光遗传学（optogenetics）的发现。这些研究让科学家能够借助光，激活或抑制选定的神经细胞。
换句话说，光不再只是照亮细胞的工具，也成了开关：科学家可以改变脑中一小群细胞的活动，再看大脑其他地方如何回应。评审机构在公布时指出，这项方法让人得以在活的大脑里，研究神经细胞如何塑造记忆、情绪与行为。那么，借助这种方法，我们能把情绪的来由理解到什么程度？
从绿藻借来一道“光控门”
这种绿藻，名叫衣藻（Chlamydomonas）。黑格曼想知道：光照到这样一个细胞上，怎样变成它能够回应的信号？他发现，衣藻受光后很快便产生电流，仿佛光直接打开了某个开关。但反应快只是线索，还需要实验验证。
黑格曼、纳格尔等人把衣藻的感光蛋白放进其他细胞里测试。2003年，他们证明，一种名为ChR2的蛋白，本身就是一道“光控门”。在一项关键实验中，研究者取下一小片含有这种蛋白的蛙卵细胞膜，离开完整细胞后，照光仍能测到电流。感光与开门的功能，原来就在同一个蛋白上。
这道门怎样工作？蛋白中的感光分子吸收光后改变形状，带动通道打开。细胞膜两侧原本就有离子浓度和电压的差异，门一开，带电离子便通过通道，形成电流。光负责开门，电流则来自离子的流动。
如果把这道门装进神经细胞，能否用光控制它们发出电脉冲？2005年，戴瑟罗斯、Edward Boyden、张锋等研究者，让培养皿中的大鼠神经细胞制造ChR2，再用短促的蓝光脉冲照射。他们成功控制了神经细胞放电，时间精度达到千分之一秒。这也是光遗传学的基本思路：先用基因技术，让选定的细胞拥有感光蛋白，再把光送到适当位置，调节它们的活动。后来，研究者又发展出能抑制神经细胞活动的工具，让这套方法有了更多用途。
从脑图到因果实验
常见的功能性磁共振成像（fMRI）彩色脑图，反映的是脑内血流和含氧状态等变化，只能间接反映神经活动。图上的颜色，并不是思想的照片。而且，“亮了”不等于找到了原因：同一个脑区可能参与许多心理活动，两个脑区同时活跃，也可能都受第三处影响。
光遗传学让研究者能够主动改变一个环节，再看后果。2010年，戴瑟罗斯团队在大鼠脑中用光激活一群选定的神经细胞，同时进行fMRI扫描，发现不只照光的位置有反应，远处相连的脑区也随之变化。研究由此从“哪些地方一起变化”，推进到“改变这里，会怎样影响别处”。
这种方法也能帮助科学家理解治疗为何有效。部分帕金森病患者会在脑内植入电极，以电脉冲缓解症状，但电极究竟作用于哪些细胞，一直难以分辨。2009年，戴瑟罗斯团队在帕金森病模型鼠身上用光逐一测试，发现关键可能在于从其他脑区延伸过来的神经纤维，而不是电极附近的神经细胞本身。这些成果来自动物实验，不能直接等同于人的治疗效果；它们的价值，是让科学家更有针对性地追问：哪些细胞、哪些连接，在什么条件下参与了某种行为？
理解大脑也理解经历
从动物行为走向人的情绪，还有许多问题需要回答。喜悦时会流泪，悲伤时却可能哭不出来，同一种表现未必对应同一种感受。也是精神科医生的戴瑟罗斯在其著作《Projections: A Story of Human Emotions》一书中，写过一名丧妻不久的年轻男子，他来到急诊室，最困惑的是自己为什么无法哭泣。戴瑟罗斯也写到婚礼与新生命诞生时的眼泪，把目光从失去转向相聚与期待。这些故事提醒我们，要理解情绪，不能只辨认一个人的表情，还需要知道他正在经历什么。
即使给他做一次脑部扫描，单凭脑图，也无法知道这次失去对他意味着什么。我们可以研究哪些细胞参与了情绪反应，也需要了解他失去了谁，那个人曾怎样参与他的生活，以及如今他最需要什么帮助。这些问题可以一起探索：理解生理机制，不会减损一段关系的意义；倾听一个人的经历，也能帮助医生理解他的症状与处境。而前面的动物实验，并没有回答这名男子为什么哭不出来。
天亮之前，戴瑟罗斯在急诊室里陪这名男子谈了约一个小时，并安排后续复诊。故事没有以一张脑图收场，而是停在一位医生对一个人的陪伴上。我们希望理解悲伤，也希望理解重逢的喜悦、对亲人的依恋，以及爱一个人时的牵挂。借绿藻的感光蛋白研究大脑，让我们更深入地认识神经细胞如何工作；而这些活动对一个人意味着什么，还需要回到他的生活中去理解。
