Một câu chuyện khoa học lớn đôi khi bắt đầu từ một sinh vật sống nhỏ bé. Tảo lục đơn bào di chuyển về phía ánh sáng, chọn điều kiện sống cho mình. Với nó, đó là nhiệm vụ thường ngày. Với các nhà nghiên cứu, đó là một câu đố, từ đó nảy sinh một trong những công cụ chính xác nhất của khoa học thần kinh hiện đại.
Ngày 5 tháng Mười năm 2026, Giải Nobel Sinh lý học và Y học được trao cho Karl Deisseroth, Peter Hegemann và Georg Nagel vì những khám phá về kênh ion nhạy cảm với ánh sáng và sự phát triển của quang di truyền học — phương pháp điều khiển hoạt động của những tế bào nhất định bằng ánh sáng.
Con đường dẫn đến khám phá này bắt đầu từ việc nghiên cứu loài tảo Chlamydomonas reinhardtii. Hegemann, Nagel và các đồng nghiệp đã nghiên cứu những protein giúp nó phản ứng với ánh sáng. Trong số đó có channelrhodopsin-2: khi chịu tác động của ánh sáng, nó mở một lối đi cho các ion tích điện dương trong màng tế bào. Sự chuyển động của chúng làm thay đổi trạng thái điện của tế bào. Như vậy, sự thích nghi tiến hóa của một sinh vật hiển vi đã trở thành nền tảng của công nghệ tương lai.
Năm 2005, một nhóm nghiên cứu gồm Edward Boyden, Feng Zhang, Ernst Bamberg, Georg Nagel và Karl Deisseroth đã chứng minh rằng protein này có thể được sử dụng trong các nơ-ron của động vật có vú. Sau khi nhận gen channelrhodopsin-2, các tế bào thần kinh bắt đầu phản ứng với những xung ánh sáng ngắn bằng các phóng điện. Các nhà nghiên cứu có thể định thời điểm xuất hiện của chúng với độ chính xác đến từng mili giây.
Sau đó, bộ công cụ được mở rộng: một số protein nhạy cảm với ánh sáng cho phép kích thích nơ-ron, những protein khác lại cho phép ức chế hoạt động của chúng. Chính sự kết hợp giữa các protein khác nhau và điều kiện chiếu sáng đã biến ánh sáng thành phương tiện điều khiển hai chiều các mạch thần kinh. Năm 2007, các nhà nghiên cứu đã trình diễn khả năng đó và ứng dụng công nghệ này trong não sống.
Hãy tưởng tượng một dàn nhạc với hàng nghìn nhạc cụ cùng vang lên. Bản ghi âm buổi hòa nhạc cho phép ta nghe được khi nào đàn vĩ cầm bắt đầu và giai điệu chung thay đổi ra sao. Quang di truyền học bổ sung khả năng tạm thời thay đổi âm thanh của một nhóm nhạc cụ được chọn và theo dõi xem cả dàn nhạc sẽ hưởng ứng thế nào. Bằng cách đó, các nhà nghiên cứu tìm hiểu đóng góp của những tế bào cụ thể vào hoạt động của não bộ.
Các thí nghiệm nhân quả đã từng tồn tại trước đây — các nhà khoa học đã sử dụng kích thích điện, thuốc và những can thiệp khác. Quang di truyền học mang đến một sự kết hợp đặc biệt quý giá: lựa chọn những loại tế bào nhất định và điều khiển chính xác thời điểm tác động. Nhờ đó, những câu hỏi về ký ức, tri giác và hành vi có được chiều sâu thực nghiệm mới.
Đối với khoa học về ý thức, ở đây mở ra một không gian cho những nghiên cứu đặc biệt tinh tế. Có thể thay đổi hoạt động của một mạch thần kinh được chọn và quan sát xem tri giác, trạng thái thức tỉnh hay khả năng phản ứng với kích thích biến đổi ra sao. Những thí nghiệm như vậy giúp làm rõ những quá trình nào duy trì các chức năng riêng biệt gắn với trải nghiệm có ý thức. Bản thân trải nghiệm chủ quan đòi hỏi thêm những tiêu chí đánh giá: hành vi của động vật và sự cảm nhận thế giới thuộc về những cấp độ mô tả khác nhau.
Các lý thuyết về ý thức đưa ra những định hướng riêng cho công việc này. Cách tiếp cận không gian làm việc toàn cục chú ý đến khả năng tiếp cận thông tin của nhiều hệ thống trong não. Lý thuyết thông tin tích hợp xem xét tổ chức nhân quả nội tại của hệ thống. Những can thiệp quang di truyền học có thể giúp kiểm tra từng dự đoán riêng của các cách tiếp cận này, còn việc giải thích kết quả đòi hỏi mối liên hệ rõ ràng giữa lý thuyết, thí nghiệm và chỉ số đo lường được.
Công nghệ này cũng đã có con đường lâm sàng. Năm 2021, các nhà nghiên cứu báo cáo về việc phục hồi một phần chức năng thị giác ở một người mắc bệnh viêm võng mạc sắc tố sau liệu pháp quang di truyền học thử nghiệm. Một protein nhạy cảm với ánh sáng được đưa vào các tế bào võng mạc, còn một loại kính đặc biệt chuyển đổi hình ảnh thành những tín hiệu ánh sáng phù hợp. Đây là kết quả của một nghiên cứu ban đầu, đánh dấu khả năng ứng dụng phương pháp này ở người.
Lịch sử của quang di truyền học nhắc nhở ta rằng sự tò mò chú tâm có thể dẫn xa đến nhường nào. Từ câu hỏi về việc tảo di chuyển về phía mặt trời đã nảy sinh một cách thức để nghiên cứu các mạch thần kinh và tìm kiếm những hướng điều trị mới. Ánh sáng đã trở thành một công cụ nhận thức chính xác — và đưa chúng ta đến gần hơn với việc hiểu được cách mô sống duy trì ký ức, tri giác và sự hiện diện của chúng ta trong thế giới.
