Hội đồng Nobel tại Viện Karolinska (Thụy Điển) vừa trao Giải Nobel Y Sinh 2026 cho ba nhà khoa học Karl Deisseroth (Viện Y khoa Howard Hughes và Đại học Stanford, Mỹ), Peter Hegemann (Đại học Humboldt Berlin, Đức) và Georg Nagel (Đại học Würzburg, Đức), nhờ "những khám phá của họ về các kênh ion đóng mở bằng ánh sáng và quang di truyền học (optogenetics)".
Ba nhà khoa học sẽ chia đều giải thưởng trị giá 12 triệu kronor Thụy Điển (khoảng 900.000 bảng Anh). Đây là lần thứ 117 giải thưởng danh giá này được trao.
Ba nhà khoa học được vinh danh nhờ "những khám phá của họ về các kênh ion đóng mở bằng ánh sáng và quang di truyền học (optogenetics)". Nguồn: Website của ủy ban giải thưởng Nobel
Nghiên cứu của họ đã dẫn đến việc phát triển một loại "công tắc" nhạy sáng, cho phép các nhà khoa học bật hoặc tắt từng tế bào thần kinh riêng lẻ ngay trong một bộ não đang sống.
Ước mơ kiểm soát não bộ
"Đối với tôi, bộ não của chính mình là một cỗ máy khó hiểu nhất - luôn râm ran, vo ve, bay bổng, gầm gừ, lao dốc, và rồi vùi sâu láu lỉnh. Và tại sao lại thế? Niềm say mê này là vì điều gì?"
Hội đồng Nobel đã trích lời nhà văn Virginia Woolf viết trong một bức thư gửi bạn vào năm 1932 để mở đầu cho bài viết giải thích cho công trình Nobel Y sinh năm nay. Nhiều người cũng có chung sự tò mò với não bộ như bà. Làm thế nào mà một cơ quan chỉ nặng khoảng 1,3 kg lại có thể chứa đựng những ký ức tuổi thơ, những mộng mơ và cả sự sáng tạo? Tại sao nó lại là nguồn cơn của niềm vui, tình yêu và sự ghen tuông? Nó điều khiển nhịp tim, nhịp thở và chu kỳ giấc ngủ như thế nào?
Vào thế kỷ 20, các nhà nghiên cứu đã xác định được vùng não nào chi phối chức năng nào. Tuy nhiên, Giáo sư Anna Wedell, thành viên Ủy ban Nobel, cho biết: "Trước đây chúng ta chỉ có các bản đồ giải phẫu và các mối tương quan, bức tranh về não bộ chứa đầy những dấu hỏi". Các phương pháp cũ không thể chứng minh mối quan hệ nhân quả - tức là không thể xác định chính xác tế bào thần kinh nào trực tiếp tạo ra một cảm xúc hay hành vi.
Giới khoa học, tiêu biểu là Francis Crick (người đoạt giải Nobel 1962), từng mơ về một công cụ có thể kích hoạt từng tế bào thần kinh bằng ánh sáng để bắt kịp tốc độ truyền tín hiệu cực nhanh của não. Và giờ đây, ước mơ đó đã thành hiện thực.
Lời giải từ một loài tảo
Mọi thứ bắt đầu từ thắc mắc đơn giản của Peter Hegemann khi ông đang làm việc tại Viện Hóa sinh Max Planck ở Martinsried vào đầu những năm 1990: Làm thế nào mà loài tảo đơn bào Chlamydomonas có thể phản ứng với ánh sáng nhanh đến vậy?
Chlamydomonas nổi tiếng với khả năng bơi về phía ánh sáng. Thông qua một "điểm mắt" nhỏ xíu, loài tảo này tạo ra xung điện chỉ trong nửa mili giây sau khi được chiếu sáng - nhanh gấp 20 lần so với chuỗi phản ứng phức tạp trong mắt người.
Tảo Chlamydomonas cảm nhận ánh sáng bằng điểm mắt. Khi ánh sáng đủ mạnh, nó sẽ bơi về phía nguồn sáng. Nguồn: Ủy ban Nobel Y Sinh/Mattias Karlén
Hegemann chỉ nghĩ ra một lời giải thích duy nhất cho phản ứng siêu tốc này, đó là phản ứng diễn ra ở tảo Chlamydomonas phải đơn giản hơn rất nhiều so với mắt người. Ông đưa ra giả thuyết rằng chỉ cần một phức hợp protein duy nhất để vừa thu nhận ánh sáng, vừa đóng vai trò như một kênh ion. Tuy nhiên, ý tưởng này lại vấp phải sự hoài nghi. Thời điểm đó, giới khoa học đã biết đến nhiều loại kênh ion, nhưng chưa có loại nào tự nó có khả năng phản ứng với ánh sáng.
Để kiểm tra giả thuyết, Hegemann đã cố gắng phân lập loại protein nhạy sáng của Chlamydomonas. Việc phân lập protein này liên tục đi vào ngõ cụt do chúng quá mỏng manh và dễ hỏng khi tách khỏi môi trường tự nhiên. Phải đến đầu những năm 2000, dựa trên bản đồ DNA của tảo vừa được các nhà khoa học Nhật Bản công bố, nhóm của Hegemann mới tìm ra hai đoạn gen tiềm năng. Để kiểm chứng xem hai gen này có thực sự mã hóa loại protein kỳ diệu đó hay không, ông đã liên hệ với đồng nghiệp Georg Nagel ở Viện Lý sinh học Max Planck Frankfurt. Nagel là người có những kỹ năng chuyên môn cần thiết để thực hiện bước đi quyết định tiếp theo.
Khám phá ra một protein đặc biệt
Nagel thường sử dụng tế bào trứng của ếch để nghiên cứu protein. Khi nhận được hai gen từ Chlamydomonas, ông tiêm các bản sao của chúng vào các nhóm trứng ếch khác nhau. Những quả trứng này sau đó bắt đầu tự sản xuất hàng loạt hai loại protein lạ. Cuối cùng, các protein xuất hiện ở lớp màng bao quanh bề mặt của tế bào trứng. Nagel lúc này có thể kiểm tra cách chúng hoạt động, và ông nhanh chóng nhận ra rằng giả thuyết của Hegemann đưa ra từ chục năm trước là chính xác. Các protein mới được tìm thấy này thực chất là những kênh ion sẽ mở ra khi tiếp xúc với ánh sáng.
Các protein này được đặt tên là channelrhodopsin-1 và channelrhodopsin-2.
Khi Nagel và Hegemann đưa gen của tảo Chlamydomonas vào trứng ếch, trứng bắt đầu sản xuất các protein kênh ion trên bề mặt. Khi được chiếu sáng, các kênh này mở ra. Ion tràn qua kênh, tạo ra một tín hiệu điện. Nguồn: Ủy ban Nobel Y Sinh/Mattias Karlén
Tương tự thí nghiệm của Hegemann, quá trình Nagel phân tích channelrhodopsin-2 cho thấy nó phản ứng cực kỳ mạnh và chớp nhoáng với các xung ánh sáng. Chỉ mất 0,2 mili giây, một kênh đã mở ra xuyên qua bề mặt tế bào trứng ếch. Các ion tích điện dương sau đó tràn vào, tạo ra một tín hiệu điện.
Hegemann và Nagel nhận ra họ vừa có một khám phá đột phá. Họ đã thử nghiệm đưa gen của channelrhodopsin-2 vào tế bào thận của phôi người và tế bào thận chuột. Những tế bào này rất nhạy sáng. Khi có ánh sáng chiếu vào, chúng phát ra tín hiệu điện.
Năm 2003, Hegemann và Nagel công bố kết quả của thí nghiệm này. Họ cho rằng channelrhodopsin-2 có thể trở thành một công cụ đắc lực để tạo ra các xung điện trong tế bào thông qua ánh sáng. Từ đây, một nhà khoa học trẻ tại Đại học Stanford đã tiếp nối chặng đường của họ.
Đưa protein của tảo vào tế bào thần kinh
Tại Đại học Stanford, Karl Deisseroth khi ấy, là một chuyên gia về khoa học thần kinh, nhận ra những phương pháp điều trị mà ông đang kê cho bệnh nhân hiếm khi mang lại hiệu quả cao mà không kèm theo các tác dụng phụ gây suy nhược. Nếu muốn giúp họ tốt hơn, ông phải hiểu tường tận bộ não.
Deisseroth bắt đầu tìm kiếm một loại protein có thể dùng để tạo xung điện trong tế bào thần kinh. Nhóm đã thử nghiệm vô số phương án. Khi nghe về việc phát hiện ra channelrhodopsin-2, Deisseroth đã viết thư cho Georg Nagel để xin đoạn DNA mã hóa loại protein này.
Khi DNA được gửi đến phòng thí nghiệm, ông đưa nó vào các tế bào thần kinh của chuột đang được nuôi cấy trong đĩa petri. Ông từng lo rằng các tế bào thần kinh vốn rất nhạy cảm sẽ bị tổn thương bởi đoạn gen lạ, nhưng thật bất ngờ, chúng lại tiếp nhận và sản xuất channelrhodopsin-2 một cách trơn tru. Khi nhóm chiếu ánh sáng xanh vào, tế bào lập tức phản ứng. Ánh sáng đã kích hoạt một tín hiệu thần kinh, và tín hiệu này có thể truyền tiếp sang các tế bào lân cận.
Năm 2005, nhóm của Deisseroth công bố kết quả. Họ đã đạt được một cột mốc mang tính quyết định, dù Deisseroth thừa nhận ông vẫn còn một chặng đường dài để đến đích, đó là khả năng kiểm soát hoạt động của các tế bào thần kinh ở những con vật đang sống.
Deisseroth đưa gen mã hóa channelrhodopsin-2 vào các tế bào thần kinh được nuôi cấy trong đĩa petri, giúp chúng trở nên nhạy cảm với ánh sáng. Bằng ánh sáng xanh, các nhà nghiên cứu đã tạo ra được một tín hiệu thần kinh nhanh chóng. Nguồn: Ủy ban Nobel Y Sinh/Mattias Karlén
Karl Deisseroth bắt đầu hợp tác với nhiều chuyên gia khác, trong đó có cả Peter Hegemann và Georg Nagel. Ông cũng chia sẻ nghiên cứu này với các đồng nghiệp hiểu được giá trị to lớn của nó. Dưới sự tiên phong của phòng thí nghiệm Deisseroth, các nhà nghiên cứu sớm tìm ra thêm nhiều loại protein khác có khả năng bật/tắt tế bào thần kinh, và được kích hoạt bằng các bước sóng ánh sáng khác nhau.
Đến năm 2006, phương pháp mới này được gọi bằng cái tên "quang di truyền học" (optogenetics). Một năm sau, Deisseroth đã kích hoạt thành công tế bào thần kinh ngay bên trong não của những con chuột đang sống. Nhóm của ông đã đưa gen channelrhodopsin-2 vào một nhóm tế bào nhất định tại vỏ não vận động (khu vực điều khiển chuyển động của não). Sau đó, họ luồn một sợi quang học mỏng qua một lỗ nhỏ trên hộp sọ của chuột để chiếu sáng các tế bào đó. Kết quả là họ có thể điều khiển được chuyển động râu của con chuột.
Nhóm của Deisseroth đưa gen channelrhodopsin-2 vào não chuột đang sống, sau đó cắm một sợi quang học mỏng vào não. Khi họ chiếu ánh sáng qua sợi quang này, một tín hiệu thần kinh được kích hoạt, làm râu chuột chuyển động. Nguồn: Ủy ban Nobel Y Sinh/Mattias Karlén
Cũng trong năm đó, Deisseroth cùng các nhà nghiên cứu khác dùng phương pháp này để đánh thức những con chuột đang ngủ một cách chủ động. Họ đưa gen vào một loại tế bào thần kinh mới được phát hiện mà họ nghi ngờ là nơi kiểm soát trạng thái thức. Khi ánh sáng được chiếu vào, bầy chuột thức dậy, chứng minh rằng giả thuyết này chính xác.
Năm 2012, cùng với Susumu Tonegawa (người từng đoạt giải Nobel năm 1987 trong lĩnh vực miễn dịch học), Deisseroth đã kích hoạt thành công một dấu vết trí nhớ (engram) - dạng cấu trúc thần kinh hình thành khi não lưu trữ một ký ức. Nhóm nghiên cứu đã quan sát não chuột khi chúng đang sợ hãi, đánh dấu lại các tế bào thần kinh tạo nên ký ức đó. Về sau, khi dùng ánh sáng kích hoạt lại đúng nhóm tế bào ấy, bầy chuột lập tức có biểu hiện sợ hãi dù xung quanh không hề có mối nguy nào. Đây là thí nghiệm đầu tiên mà các nhà nghiên cứu có thể chỉ ra chính xác những tế bào thần kinh nào cần thiết đối với một ký ức cụ thể.
Mở ra một trang mới của khoa học thần kinh
Nhờ có quang di truyền học, giờ đây các nhà nghiên cứu có thể phân định rõ từng tế bào thần kinh nằm trong một mạng lưới chằng chịt đang điều khiển chức năng gì. Ví dụ, họ đã xác định được các mạch thần kinh điều khiển cảm giác đau, các hành vi xã hội, cơn khát, nhu cầu ăn uống, cảm giác được khen thưởng và sự chú ý. Họ cũng tìm ra các tế bào phụ trách đủ loại chức năng, từ việc điều hòa nhịp sinh học cho đến việc tạo ra cơn sốt khi hệ miễn dịch bắt đầu chống lại bệnh tật.
Khi đào sâu vào những hành vi phức tạp hơn - ví dụ như cách chuột mẹ chăm con - các nhà khoa học nhận ra rằng một hành vi có thể được kiểm soát bởi nhiều mạch thần kinh riêng biệt. Ví dụ, một mạch sẽ điều khiển cách chuột mẹ tha con vào ổ, trong khi một mạch khác lại chỉ huy việc chải lông cho con.
Quang di truyền học còn được ứng dụng để lập bản đồ hệ thần kinh và chức năng tế bào ở các cơ quan ngoài não bộ. Deisseroth đã chứng minh nhịp tim có thể ảnh hưởng đến cảm xúc. Nếu ép tim đập mạnh hơn, cảm giác lo âu cũng có thể tăng lên theo. Hay một nhóm nghiên cứu khác đã phát hiện ra các tế bào đặc biệt ở ruột giải thích lý do vì sao một số người thích ăn đường thật hơn là đường ăn kiêng.
Niềm hy vọng về những liệu pháp y học mới
Người đàn ông xác định thành công vị trí các đồ vật đặt trên bàn trong khi bịt mắt không được điều trị, mở mắt đã được điều trị và đeo kính kích thích bằng ánh sáng. Ảnh: Jose-Alain Sahel/Botond Roska/Nature Medicine
Dù bắt nguồn từ khoa học cơ bản, công trình của nhóm đã mang lại những ứng dụng thực tế, mở ra một lĩnh vực y học được gọi là liệu pháp quang di truyền (optogenetic therapy).
Các nhà khoa học đang nỗ lực phục hồi thị lực cho những người mù do viêm võng mạc sắc tố (một căn bệnh phá hủy các tế bào nhạy sáng trong mắt). Khi được cấy một loại protein tương tự channelrhodopsin vào võng mạc, một bệnh nhân mù đã có thể nhìn thấy lại một phần. Nhờ đeo một chiếc kính phát sáng đặc biệt, người này có thể nhận diện và cầm được các đồ vật trên bàn.
Ngoài ra, còn có hy vọng rằng quang di truyền học sẽ giúp cải thiện các thiết bị cấy ghép ốc tai điện tử dành cho người khiếm thính. Hiện tại, các thiết bị này dùng điện để kích thích dây thần kinh thính giác. Nếu có thể sử dụng quang di truyền học thay thế, thiết bị cấy ghép sẽ kích hoạt được dây thần kinh này với độ chính xác cao hơn rất nhiều.
Karl Deisseroth sinh năm 1971. Ông nhận bằng Tiến sĩ năm 1998 và bằng Bác sĩ Y khoa năm 2000 tại Đại học Stanford, Mỹ. Ông hiện là Giáo sư Kỹ thuật Sinh học, Tâm thần học và Khoa học Hành vi (chức danh Giáo sư Quỹ D.H. Chen) tại Viện Y khoa Howard Hughes và Đại học Stanford, Mỹ.
Peter Hegeman sinh năm 1954. Ông nhận bằng Tiến sĩ năm 1984 tại Viện Hóa sinh Max Planck ở Martinsried, Đức. Ông hiện là Giáo sư Cao cấp (Quỹ Hertie) về Khoa học Thần kinh tại Đại học Humboldt Berlin, Đức. Những khám phá giúp ông đoạt giải được thực hiện khi ông làm việc tại Viện Hóa sinh Max Planck ở Martinsried.
Georg Nagel sinh năm 1953. Ông nhận bằng Tiến sĩ năm 1988 tại Đại học Frankfurt, Đức. Ông hiện là Giáo sư Sinh lý Thực vật Phân tử tại Khoa Sinh lý và Lý sinh Thực vật Phân tử – Thực vật học I, thuộc Đại học Würzburg, Đức. Những khám phá giúp ông đoạt giải được thực hiện khi ông làm việc tại Viện Lý sinh học Max Planck ở Frankfurt.
Hà Trang tổng hợp
Nguồn tham khảo:
Press release, The Nobel Prize
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2026/press-release/
Popular Information, A light-sensitive algal protein energised neuroscience, The Nobel Prize
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2026/popular-information/
Nobel prize in medicine 2026 awarded for research into mysteries of brain, The Guardian
https://www.theguardian.com/science/2026/oct/05/nobel-prize-medicine-2026-winner