Nobel Prize in Medicine: Reactions from Scientists from Luxembourg

Today, Karl Deisseroth, Peter Hegemann and Georg Nagel were awarded the 2026 Nobel Prize for their discovery of a molecular switch for nerve cells. The scientists laid the foundation for a method called optogenetics, which uses light to turn on individual nerve cells or neural circuits in a living brain. The story starts with a light-sensitive protein called channelrhodopsin, which Hegemann and Nagel found in algae. Deisseroth then turned it into a precise, light-controlled switch for nerve cells. This tool is used today by researchers worldwide to study the types of nerve cells that are involved in various psychiatric and neurological disorders, and more generally to understand how  the brain forms memories, feelings and behaviours.

With around 90 billion nerve cells, an adult brain is a highly complex organ. Each nerve cell forms thousands of connections with other nerve cells. Optogenetics has let researchers pinpoint the specific nerve cells behind functions such as pain, thirst, appetite, reward, social behaviour, circadian rhythm and fever. It has even revealed links beyond the brain, such as how a harder-working heart can intensify anxiety.

Optogenetics is now also beginning to move into medicine: early clinical trials have restored some vision in a blind person with the disease retinitis pigmentosa. And researchers hope the approach could also make cochlear implants more precise by stimulating the auditory nerve with light instead of electricity.

Illustration of the three scientists that received the Nobel Prize (Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach)

We spoke to scientists from the Luxembourg Center for Systems Biomedicine at the  University of Luxembourg  about the impact of these discoveries, how they remember them and how it relates to their own research.

Left: Prof. Michael Heneka, Direktor des Luxembourg Center for Systems Biomedicine (LCSB), University of Luxembourg; middle:  Dr. Ivana Nikić-Spiegel, Associate Professor in Translational Neuroscience mit Fokus auf Biological Imaging, also at LCSB; Right: Prof. Dr. Alexander Skupin, Professor for Integration and Modelling of Biomedical Data am LCSB. 

English translation will follow shortly

Warum ist diese Arbeit wichtig für die neurowissenschaftliche Forschung?

Ivana Nikić-Spiegel: Die Optogenetik hat die Art und Weise, wie wir das Gehirn erforschen können, grundlegend verändert. Sie ermöglicht es uns, mithilfe von Licht bestimmte Nervenzellen – sogenannte Neuronen – sehr präzise zu aktivieren oder zu hemmen, und zwar sowohl hinsichtlich des Ortes als auch des Zeitpunkts. Anstatt also nur zu beobachten, welche Neuronen aktiv sind, können wir ihre Aktivität tatsächlich steuern und untersuchen, welche Rolle sie bei verschiedenen Prozessen wie Bewegung, Lernen oder Gedächtnis spielen – sowohl im gesunden Gehirn als auch bei Erkrankungen.

Alexander Skupin: Ich finde den Nobelpreis sehr angebracht, weil das Channelrhodopsin wirklich so ein Schlüsselmolekül ist, mit dem wir jetzt die Funktionsweise vom Gehirn besser verstehen können, indem wir bestimmte Nervenzellen-Typen triggern. Das erlaubt uns jetzt in diesem sehr komplexen neuronalen Netzwerk das wir im Gehirn haben zu schauen, was passiert wenn wir bestimmte Neuronen anschalten und wieder ausschalten, wo geht das Licht dann woanders auch an. Das ist ein extrem wichtiges Tool, mit dem wir verstehen können wie neuronale Verschaltungen sich miteinander verhalten und wie das Gehirn organisiert ist.

Michael Heneka: Ich glaube das wir das Potenzial dieser Erkenntnisse noch gar nicht voll umfänglich ausgeschöpft haben. Wenn wir ein bisschen zurück schauen haben wir in den letzten 100 Jahren eine Menge Informationen über das Gehirn durch der Betrachtung von fixiertem Hirnmaterial erhoben – seitdem man durch ein Mikroskop schauen kann. Aber ich glaube dass diese funktionale Veränderung von Hirnfunktionen einzelner Populationen und irgendwann auch in Gruppen, das das uns erlaubt ganz spezifisch das menschliche Gehirn in seiner physiologischen Funktion zu verstehen, aber dann eben auch pathophysiologische Prozesse besser voneinander trennen zu können und mit dieser Trennung möglicherweise dann auch den Weg haben therapeutische Interventionen zu finden.

Was gefällt Ihnen besonders an dieser Arbeit? 

Ivana Nikić-Spiegel: Was mir an dieser Geschichte besonders gefällt, ist, dass sie mit Neugier und einer ganz einfachen Frage begann: Wie reagiert eine Alge auf Licht und bewegt sich auf dieses zu? Forscher entdeckten lichtempfindliche Ionenkanäle – Proteine, die auf Licht reagieren und den Ionenfluss in und aus den Zellen steuern (Anm. der Red.: Siehe Infobox für Erklärung zu Ionenkanälen). Zu dieser Zeit versuchte niemand, ein Werkzeug für die Neurowissenschaften zu entwickeln, doch diese Kanäle wurden schließlich zur Grundlage der Optogenetik. Das erinnert mich an die Geschichte von GFP, dem grün fluoreszierenden Protein, einer weiteren mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Entdeckung. Auch diese begann mit der Neugier auf ein Naturphänomen: Warum leuchtet eine Qualle? Schließlich wurde daraus ein unglaublich leistungsfähiges Werkzeug für die Biologie und die Neurowissenschaften.

Und nun erleben wir einen weiteren interessanten Schritt: Forscher untersuchen therapeutische Anwendungen der Optogenetik. Wir erleben also diese faszinierende Entwicklung – von einer sehr grundlegenden Frage, wie eine Alge auf Licht reagiert, hin zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Neurowissenschaften und möglicherweise sogar zu neuen Wegen der Krankheitsbehandlung. Für mich ist dies ein wunderbares Beispiel dafür, warum neugiergetriebene Grundlagenforschung so wichtig ist. Man kann wirklich nicht vorhersagen, wohin eine Entdeckung führen wird.

Alexander Skupin: Neben der medizinischen Relevanz ist es wieder ein klares Statement für Grundlagenforschung und Interdisziplinarität. Grünalgen verbindet man nicht unbedingt als erstes mit dem Gehirn. Aber dadurch dass man bei Grünalgen untersucht hat wie Wahrnehmung funktioniert – das Auge wie es auch manchmal genannt wird – hat das jetzt ganz große Auswirkungen, wie wir das Gehirn besser verstehen können. Diese interdisziplinäre Wissenschaft erlaubt es, neue Zugänge zu finden.

Michael Heneka: Die Befunde der Wissenschaftler, z. B. von Deisseroth liegen jetzt schon einige Jahre zurück. Es hat sich jetzt gezeigt dass man es auch sinnvoll einsetzen kann. Es gibt auch in Deutschland noch nicht so viele Labore die diese Technik einsetzen, weil es schwierig ist und weil es langwierig ist. Es freut mich deshalb auch für die deutsche Wissenschaft, dass zwei der Nobelpreisträger aus Deutschland sind.

Haben Sie persönliche Erinnerungen an die Nobelpreisträger oder deren Arbeit?

Alexander Skupin: Ich habe 2004 meine Promotion an der Humboldt-Universität in Berlin begonnen, und zu dieser Zeit kam gerade Peter Hegelmann, einer der Preisträger, an die Universität. Er hatte damals gerade das Channelrhodopsin entdeckt. Und da ich aus der Physik kam, war das für mich damals alles noch sehr spannend – wie das in der Biologie mit Genen und so funktioniert. Peter Hegelmann war für mich ein schönes Beispiel dafür, wie man es mit einem physikalischen Ansatz schaffen kann, biologische Systeme zu verstehen. Das hat mich damals schon sehr fasziniert und geprägt.

Ich bin dann über die Computational Neuroscience zur Biophysik gekommen, weil ich das Gehirn verstehen wollte. Und es war spannend zu sehen, dass man auch von einer Grünalge etwas lernen kann, was man danach irgendwann auch im Gehirn beobachten kann – für mich ein echter Augenöffner für interdisziplinäre Wissenschaft, der mich dann dazu motiviert hat, ein erstes Postdoc an dieser Grünalge zu absolvieren.

Ivana Nikić-Spiegel: Ich habe meine Promotion in den Neurowissenschaften gerade zu dem Zeitpunkt begonnen, als die Optogenetik aufkam. Einige der ersten wegweisenden Arbeiten waren gerade erschienen, weitere folgten in den ersten Jahren meiner Promotion. Ich habe also miterlebt, wie sich dieses Fachgebiet von seinen Anfängen zu einem der wichtigsten Werkzeuge der heutigen Neurowissenschaften entwickelt hat. Zu erleben, wie eine neue Technologie entsteht und die Möglichkeiten in den Neurowissenschaften verändert, war für mich zudem sehr inspirierend, vor allem weil ich mich schon immer für die Entwicklung und den Einsatz neuer molekularer Werkzeuge interessiert habe.Inwiefern steht Ihre eigene Arbeit mit dem Thema des Nobelpreises in Zusammenhang?

Inwiefern steht Ihre eigene Arbeit mit dem Thema des Nobelpreises in Zusammenhang?

Michael Heneka:  Wir benutzen Optogenetik in meiner Forschungsgruppe, um eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung einzelner Neuronengruppen und deren Aufgabe im Gehirn zu untersuchen. Wir untersuchen gezielt eine kleine Region im Gehirn, den sogenannten Locus caeruleus. Bei Menschen mit Alzheimer wird sie besonders früh geschädigt. Uns interessiert, wie sich andere Hirnbereiche verändern, wenn wir diese Region gezielt aus- und wieder einschalten. Dafür kombinieren wir zwei Methoden: Mit der Optogenetik steuern wir die Aktivität der Nervenzellen mithilfe von Licht. Gleichzeitig beobachten wir mit einem speziellen Mikroskop im lebenden Gehirn, wie der Neocortex – ein Teil der Großhirnrinde – darauf reagiert. In Tiermodellen der Alzheimerkrankheit untersuchen wir so, wie Nervenzellen, Immunzellen und Blutgefäße im Neocortex beeinflusst werden.

Ivana Nikić-Spiegel: Unsere Arbeit befasst sich nicht direkt mit der Steuerung neuronaler Aktivität durch Licht, aber es gibt einige interessante Verbindungen. Auch wir beschäftigen uns mit Ionenkanälen und entwickeln molekulare Werkzeuge zu deren Untersuchung, allerdings aus einem anderen Blickwinkel.

Wir nutzen eine Methode namens „Erweiterung des genetischen Codes“, die es uns ermöglicht, speziell entwickelte Aminosäuren an ganz bestimmten Stellen in ein Protein einzufügen. Aminosäuren sind die Bausteine von Proteinen, und durch das Einfügen dieser speziellen Aminosäuren können wir Proteinen neue Eigenschaften verleihen. So können wir beispielsweise Ionenkanäle mit fluoreszierenden Farbstoffen markieren und so feststellen, wo sie sich befinden und wie sie sich in den Zellen verhalten.
Interessanterweise lassen sich einige dieser speziellen Aminosäuren auch so gestalten, dass sie auf Licht reagieren. Das bedeutet, dass wir einem Protein im Prinzip die Fähigkeit verleihen können, auf Licht zu reagieren, und dann mithilfe von Licht steuern können, was es tut. Dies könnte uns eine sehr präzise Methode bieten, um die Funktion einzelner Proteine zu untersuchen und zu steuern.

Dies unterscheidet sich ein wenig von der klassischen Optogenetik in den Neurowissenschaften, bei der spezifische lichtempfindliche Proteine in Neuronen eingebracht werden, um deren Aktivität mit Licht zu steuern. Mit unserem Ansatz könnten wir potenziell ein bestimmtes Protein lichtempfindlich machen und dessen Funktion direkt steuern. Dies ist ein Thema, das wir in Zukunft sehr gerne weiter erforschen möchten.

Alexander Skupin: Nach meinem Post-doc bin ich von Grünalge doch wieder Richtung Gehirn gewandert. Aber die Faszination für Ionenkanäle ist bei mir hängen geblieben. Was wir jetzt versuchen zu verstehen ist: Wie funktionieren Ionenkanäle denn wirklich? Wir schauen uns in unserer Forschung u. a. Ionenkanäle an, die nicht über Licht sondern über Spannungsänderungen in der Zellmembran getrieben werden. Da versuchen wir die intramolekularen Abläufe zu verstehen, damit nachher der Ionenkanal aufgeht und was wenn verschiedene genetische Mutationen da sind, wie führen die dann zu einem Gain- oder Loss-of-Function und zu verschiedenen Krankheiten, wie Epilepsie, Migräne oder Parkinson.

Mehr Infos über den Nobelpreis auf der Internetseite der Nobelpreise.

Fragen und Redaktion: Michèle Weber (FNR)