柏林洪堡大学的Peter Hegemann和维尔茨堡大学的Georg Nagel想要了解一种名为衣藻的微小单细胞藻类是如何感知光的。感光并非具有眼睛的动物所独有：整个生物界的生物都利用光来探测周围环境并对其环境变化做出反应。即使是单细胞生物也拥有对光做出反应的蛋白质。这些蛋白质被用于趋向或远离光、产生能量以及响应24小时一天的各种需求。
Hegemann和Nagel发现，衣藻拥有一种精妙绝伦的感光机制，该机制依赖于一种名为通道视紫红质（channelrhodopsin）的单一蛋白质。
通道视紫红质镶嵌在藻类细胞的外膜上。该蛋白质的一部分面向细胞外的水环境，另一部分面向细胞内部。该蛋白质还包含一种名为视黄醛（retinaldehyde）的小分子，它能够吸收光。
当光照射到通道视紫红质内部的视黄醛时，它会改变形状。这使得通道视紫红质蛋白质也随之改变形状。这一变化打开了穿过细胞膜的微小通道。然后，包括钠在内的带正电粒子可以从藻类外部的水环境中流入细胞内。这种带电粒子的运动在藻类内部发送信号，帮助其游动。
解决了这样一个有趣的生物学问题固然奇妙，但为什么能获得诺贝尔生理学或医学奖？答案在于神经细胞的工作方式。神经细胞利用带电粒子（称为“离子”）跨膜运动来控制其活动。当带正电的粒子流入神经细胞时，它们可以使神经细胞更加活跃。
研究人员意识到，如果他们能将通道视紫红质放入神经细胞中，他们也许只需用光照射就能开启这些细胞。这正是Hegemann、Nagel以及第三位诺贝尔奖得主、加州斯坦福大学的精神病学家和生物工程师Karl Deisseroth随后所做的工作。
用光开启神经细胞
用光控制神经细胞的能力被称为光遗传学（optogenetics）。它已成为一种强大的研究工具，因为科学家可以利用它开启和关闭特定的神经细胞群，并观察会发生什么。
首先，科学家将通道视紫红质的基因传递到他们想要研究的神经细胞中。该基因通常由一种经过改造而无法致病的病毒携带进入细胞。然后，细胞会制造出通道视紫红质蛋白质，使其对光产生反应。
在小鼠等动物中，科学家可以通过一根细小的光纤将光照射到大脑中。当光到达细胞时，通道视紫红质打开，细胞变得活跃。附近不含该蛋白质的神经细胞则不受影响。
光可以瞄准大脑中非常小的区域，并以极快的速度开启和关闭。这使得光遗传学成为研究大脑运作方式的强大手段。例如，如果科学家想知道某一特定神经细胞群是否参与了记忆、睡眠、感觉或运动，他们就可以用光开启这些细胞，看看会发生什么。
在2012年的一项实验中，麻省理工学院的一个团队在特定的笼子里对小鼠进行了轻微的电击。他们利用光遗传学标记了大脑记忆中心在那项恐惧条件反射实验中活跃的神经细胞。几天后，在另一个不同的笼子里，他们用光开启了这些细胞。小鼠因恐惧而僵住，仿佛它们想起了电击。
未受到电击的小鼠并没有僵住，这表明光重新激活了特定的记忆。Deisseroth是该研究的作者之一。
光遗传学彻底改变了科学家研究大脑和神经系统运作方式的能力。它未来也可能作为一种治疗方法。光遗传学已进入针对视网膜变性患者的早期临床试验阶段。在这些试验中，研究人员将对光敏感的蛋白质引入到视网膜中残留的神经细胞内，而通常负责感光的细胞——即视杆细胞和视锥细胞——此时已经丧失。这可以使幸存的细胞对光产生反应，从而恢复部分视力。
研究人员还在研究光遗传学最终是否可用于治疗神经系统疾病，包括帕金森病和癫痫。
今年的诺贝尔奖表彰的这项工作始于一个听起来可能很冷门的问题：衣藻是如何向光游动的？这个问题没有明显的实用价值。它既不解决人类健康的迫切需求，也不是一条明确的致富之路。光遗传学的成功说明了仅仅为了解我们周围的世界而不断提出问题的重要性，因为我们无法预测知识将把我们引向何方。