Ngày 5/10/2026, Giải Nobel Y học được trao cho ba nhà khoa học Karl Deisseroth, Peter Hegemann và Georg Nagel* vì những khám phá về kênh ion điều khiển bởi ánh sáng và quang di truyền học (optogenetics). Công trình này đã tạo ra một phương pháp cho phép các nhà khoa học dùng ánh sáng để bật/tắt hoạt động của những tế bào thần kinh cụ thể trong não.

Nghiên cứu bắt đầu từ các khảo sát của Peter Hegemann và Georg Nagel về khả năng cảm nhận ánh sáng của tảo lục đơn bào Chlamydomonas reinhardtii. Qua đó, các nhà khoa học xác định được những protein nhạy sáng trên màng tế bào, gọi là channelrhodopsin. Các protein này hoạt động như một kênh ion với công tắc hoạt động phụ thuộc vào ánh sáng. Cụ thể, bên trong channelrhodopsin có một phân tử hấp thụ ánh sáng gọi là retinal. Khi retinal hấp thụ ánh sáng có bước sóng phù hợp, cấu trúc của nó thay đổi. Sự thay đổi này làm protein channelrhodopsin đổi cấu hình và mở kênh. Khi đó, các ion mang điện tích dương có thể đi qua màng tế bào. Trong đó, Channelrhodopsin-2 (ChR2) là một trong những protein được sử dụng nhiều nhất trong optogenetics. ChR2 được kích hoạt chủ yếu bởi ánh sáng xanh và hoạt động như một kênh cation, cho phép các ion dương như Na⁺, H⁺ và một lượng Ca²⁺ có thể đi qua màng. Dòng ion này làm thay đổi điện thế màng của tế bào. Khả năng này giúp channelrhodopsin trở nên đặc biệt hữu ích đối với nghiên cứu thần kinh [1].

Neuron truyền tín hiệu bằng các thay đổi điện thế trên màng tế bào. Khi điện thế màng thay đổi đến một mức nhất định, neuron có thể phát một tín hiệu điện. Các nhà khoa học nhận ra rằng nếu đưa gene mã hóa channelrhodopsin vào neuron, protein này có thể được tạo ra và nằm trên màng neuron. Khi chiếu ánh sáng vào, channelrhodopsin mở ra, ion đi qua màng và neuron được kích hoạt [1].

Năm 2005, Karl Deisseroth và cộng sự cho thấy có thể sử dụng Channelrhodopsin-2 để điều khiển hoạt động của neuron bằng những xung ánh sáng. Kết quả này trở thành một trong những nền tảng quan trọng của optogenetics. Nhờ các kỹ thuật di truyền, các nhà nghiên cứu có thể làm cho channelrhodopsin chỉ xuất hiện ở một nhóm neuron nhất định. Sau đó, ánh sáng được đưa đến vùng não cần nghiên cứu, thường qua các sợi quang rất nhỏ. Khi chiếu ánh sáng, các neuron mang protein nhạy sáng có thể được kích hoạt gần như ngay lập tức. Ngoài các protein dùng để kích hoạt neuron, nhiều công cụ optogenetics khác cũng đã được phát triển để ức chế hoạt động của neuron [1]. Vì vậy, nhà nghiên cứu có thể chủ động bật hoặc tắt một nhóm tế bào rồi theo dõi sự thay đổi về hoạt động của não hoặc hành vi (Hình 1).

Hình 1. Điều khiển điện thế hoạt động của tế bào thần kinh bằng ánh sáng. (A) Mô hình thí nghiệm sử dụng Channelrhodopsin-2 (ChR2) để kích hoạt tế bào thần kinh bằng các xung ánh sáng. Khi được chiếu ánh sáng xanh, ChR2 mở kênh ion trên màng tế bào và làm neuron phát sinh điện thế hoạt động. (B) Các chuỗi điện thế hoạt động được tạo ra khi neuron được kích thích bằng các xung ánh sáng với tần số tăng dần từ 5 đến 30 Hz. Kết quả cho thấy ánh sáng có thể kiểm soát hoạt động điện của neuron với độ chính xác cao về thời gian [2].

Trước khi có optogenetics, các nhà khoa học thường dùng kích thích điện hoặc thuốc để thay đổi hoạt động của não. Kích thích điện có tác dụng nhanh nhưng có thể ảnh hưởng cùng lúc đến nhiều tế bào ở vùng xung quanh. Thuốc có thể tác động chọn lọc hơn lên một số loại tế bào nhưng thường cần thời gian để phát huy tác dụng và khó bật hoặc tắt ngay lập tức. Optogenetics giúp giải quyết một phần những hạn chế này. Phương pháp có thể nhắm vào một loại tế bào cụ thể, đồng thời kiểm soát chúng trong khoảng thời gian rất ngắn [1]. Optogenetics vì thế đã trở thành một công cụ quan trọng để nghiên cứu các mạch thần kinh trong não (Hình 2).

Hình 2. Điều khiển hành vi động vật bằng optogenetics trong cơ thể sống. (A) Channelrhodopsin-2 (ChR2) được đưa vào các neuron và được kích hoạt bằng ánh sáng truyền qua sợi quang học. (B) Hệ thống thí nghiệm dùng để kích thích vùng vỏ não vận động điều khiển ria mép ở chuột và ghi nhận chuyển động của ria. (C) Khi chiếu ánh sáng xanh, các neuron biểu hiện ChR2 được hoạt hóa và tạo ra sự lệch của ria mép. Kết quả cho thấy optogenetics có thể được sử dụng để điều khiển hoạt động của các mạch thần kinh và hành vi ở động vật sống [3].

Hiện nay, optogenetics được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu về hoạt động của não và các bệnh liên quan đến hệ thần kinh. Một số hướng nghiên cứu tập trung vào Parkinson, động kinh, rối loạn tâm thần và các bệnh thoái hóa thần kinh. Tuy nhiên, phần lớn các ứng dụng này vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu, chưa phải là phương pháp điều trị thường quy cho bệnh nhân. Một hướng ứng dụng đang được quan tâm là phục hồi thị giác. Các nhà nghiên cứu đang tìm cách đưa protein nhạy sáng vào những tế bào còn hoạt động trong võng mạc, với mục tiêu giúp chúng phản ứng lại với ánh sáng ở những người bị mất chức năng của tế bào cảm quang. Một số nghiên cứu trên người đã được tiến hành, nhưng công nghệ này vẫn cần tiếp tục được đánh giá về hiệu quả và độ an toàn [1].

Optogenetics cũng cho thấy rõ vai trò của Công nghệ Sinh học trong việc chuyển những phát hiện cơ bản thành các công cụ có giá trị cho nghiên cứu. Từ việc tìm hiểu một protein nhạy sáng ở tảo, các nhà khoa học đã phát triển được phương pháp giúp kiểm soát hoạt động của tế bào thần kinh với độ chính xác cao. Đây là một ví dụ cho thấy việc nghiên cứu các cơ chế sinh học ở cấp độ phân tử có thể tạo nền tảng cho những ứng dụng mới trong nghiên cứu sự sống và y học.

* Karl Deisseroth, sinh năm 1971. Nhận bằng Tiến sĩ (Ph.D.) năm 1998 và bằng Bác sĩ Y khoa (MD) năm 2000 tại Stanford University, Hoa Kỳ. Hiện là D.H. Chen Professor, Giáo sư ngành Kỹ thuật Sinh học và Giáo sư ngành Tâm thần học và Khoa học Hành vi tại Howard Hughes Medical Institute và Stanford University, Hoa Kỳ.

Peter Hegemann, sinh năm 1954. Nhận bằng Tiến sĩ (Ph.D.) năm 1984 tại Max-Planck-Institute for Biochemistry, Martinsried, Đức. Hiện là Hertie Senior Professor of Neuroscience tại Humboldt University of Berlin, Đức. Những khám phá được trao giải được thực hiện tại Max Planck Institute for Biochemistry, Martinsried, Đức.

Georg Nagel, sinh năm 1953. Nhận bằng Tiến sĩ (Ph.D.) năm 1988 tại University of Frankfurt, Đức. Hiện là Giáo sư Sinh lý học Thực vật Phân tử tại Department for Molecular Plant Physiology and Biophysics – Botany I, University of Würzburg, Đức. Những khám phá được trao giải được thực hiện tại Max Planck Institute for Biophysics, Frankfurt, Đức.

Tài liệu tham khảo

[1] El Manira, A., Svenningsson, P., & Linnarsson, S. (2026). Optogenetics: Discovery of a neuronal switch. Scientific background to the Nobel Prize in Physiology or Medicine 2026. The Nobel Assembly at Karolinska Institutet.

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

[3] Aravanis AM, Wang L-P, Zhang F, Meltzer LA, Mogri MZ, Schneider MB, Deisseroth K (2007) An optical neural interface: in vivo control of rodent motor cortex with integrated fiberoptic and optogenetic technology. Journal of Neural Engineering 4:S143.

Tác giả: ThS. Phan Thủy Quyên

Người duyệt bài: PGS. TS. Nguyễn Huy Thuần 

Người đăng bài: ThS. Phan Thủy Quyên