2021年諾貝爾生理學或醫學獎揭曉：David Julius和Ardem Patapoutian兩人獲獎，獲獎理由：發現溫度和觸覺感受器。人體對熱、冷和觸覺的感知能力對我們的生存至關重要，並且支撐着我們與周圍世界的互動。在日常生活中，我們常認為這些感覺是理所當然的，但與此相關的神經衝動是如何產生，從而使溫度和壓力可以被感知的呢？今年的兩位諾貝爾獎得主解決了這個問題。
David Julius利用辣椒素（一種從辣椒中提取的刺激性化合物，能產生灼燒感）來識別皮膚神經末梢上對熱做出反應的感受器。Ardem Patapoutian利用壓力敏感細胞發現了一種對皮膚和內部器官的機械刺激作出反應的新型感受器。這些突破性的發現促進了科學界展開大量的研究活動，使我們對神經系統如何感知熱、冷和機械刺激的了解更加深入。兩位獲獎者指出，當我們嘗試理解感官與環境之間複雜的相互作用時，有些關鍵的環節被忽視了。
我們是如何感知世界的？
我們是如何感知身邊環境的？這是人類面臨的最大的謎團之一。數千年來，我們的感覺機制一直令人們好奇不已。例如，眼睛是如何探測到光線的？聲波是如何影響內耳的？不同的化學物質又是如何與我們口鼻中的感受器發生相互作用、從而產生嗅覺和味覺的？除此之外，我們還有其它感知身邊世界的方式。想象一下在炎熱的夏天光腳走過草坪時的感覺。你可以感受到太陽的熱度、微風的吹拂、以及腳下的每一片草葉。這些對溫度、觸覺和動作的感知對我們不斷適應周邊環境的能力至關重要。
17世紀，哲學家笛卡爾提出，我們的各部分皮膚可能是通過某種“細線”與大腦相連的。假如腳碰到了火苗，就會通過這種方式向大腦發送一個機械信號。科學家後來發現，具有特定功能的感覺神經元可以察覺到環境中的變化。1944年，Joseph Erlanger和Herbert Gasser因發現可以對不同刺激做出反應的感覺神經纖維（如會產生痛覺的觸碰和不會產生痛覺的觸碰）而獲得了諾貝爾生理學獎或醫學獎。自此之後，科學家發現，神經細胞在探測和傳導不同類型的刺激時的分工高度分化，使我們可以精確感知周圍環境。例如，我們可以通過指尖感受出不同表面質感的區別，還可以分辨出令人舒適的溫暖和痛苦難忍的高溫。
在David Julius和 Ardem Patapoutian做出此次發現之前，神經系統感知和解讀周邊環境的方式對我們而言一直是個未解之謎：溫度和力學刺激究竟是如何轉化為神經系統的電脈衝的？
插圖描述了在笛卡爾的想象中，高溫是如何向大腦發送機械信號的。
熱的科學研究！
二十世紀年代後期，美國加州大學舊金山分校的David Julius通過分析化合物辣椒素如何引起我們接觸辣椒時的灼燒感，看到了重大進步的可能性。人們已經知道，辣椒素可以激活引起疼痛感的神經細胞，但是這種化學物質如何真正發揮該功能仍是一個未解之謎。Julius和他的同事創建了一個包含數百萬個DNA片段的庫，對應於在感覺神經元中表達的基因，這些基因可以回應疼痛、熱和觸摸。Julius和他的同事假設，該DNA片段庫或可包含可編碼能夠與辣椒素反應的蛋白質的DNA片段。在通常不與辣椒素反應的培養細胞中，他們表達了來自該合集的個別基因。經過艱苦的搜索之後，他們確定了一個能夠使細胞對辣椒素敏感的基因。感應辣椒素的基因終於被發現！進一步的實驗表明，鑒定出的基因編碼了一個新的離子通道蛋白，這個新發現的辣椒素受體後來被命名為TRP1。當Julius研究蛋白質對熱的反應能力時，他意識到，他發現了一個熱敏受體，該受體會在高溫導致疼痛的時候被激活。
David Julius使用辣椒中的辣椒素來鑒定TRPV1，這是一種因令人疼痛的溫度而激活的離子通道。其他相關的離子通道也已經被確認，我們如今已經知道不同的溫度在神經系統中誘導電信號的方式。
TRPV1的發現是一項重大突破，為揭開其他溫度感應受體開闢了道路。David Julius和Ardem Patapoutian兩人各自獨立地使用化學物薄荷醇找到了一種被證明會因寒冷而激活的受體TRPM8。與TRPV1和TRPM8相關的其他離子通道陸續被發現，並由一系列不同的溫度激活。許多實驗室開始開展研究項目，通過使用經基因操作后缺乏這些新發現基因的小鼠，來研究這些離子通道在熱感覺中發揮的作用。David Julius對TRPV1的發現是一項突破，讓我們能夠了解溫度差異如何在神經系統中誘導電信號。
對壓力感知的研究
儘管對溫度感覺機制的研究正逐步推進，但科學家機械刺激如何轉化為我們的觸覺和壓力感仍不清楚。此前，研究人員在細菌中發現了機械刺激的感受器，但在脊椎動物中，觸覺的潛在機制仍不清楚。Ardem Patapoutian在美國加州的斯克里普斯研究中心工作，他希望找出人體內由機械刺激激活的神秘受體。
Patapoutian和他的同事首先發現了一種細胞系，當單個細胞被微管戳到時，它會發出可測量的電信號。他們假設這種感受機械刺激的受體是一個離子通道，並在下一步研究中鑒定了72個編碼可能受體的候選基因。這些基因被逐個滅活，從而在被研究的細胞中發現了負責感受機械刺激的基因。經過艱苦的研究，Patapoutian和同事們成功地識別出了一個基因，該基因的沉默使細胞對微管的刺激不敏感。人們發現了一種全新的、完全未知的機械敏感離子通道，並將其命名為“Piezo1”（這個詞來源於希臘語中的piesi，即“壓力”）。通過研究與Piezo1相似的基因，人們發現了第二種基因，並將其命名為“Piezo2”。感覺神經元表達了高水平的Piezo2基因，而進一步的研究證實，Piezo1和Piezo2是通過對細胞膜施加壓力直接激活的離子通道（圖3）。
Patapoutian的這項突破為他和其他團隊帶來了一系列重要論文，證明了 Piezo2離子通道對觸覺至關重要。此外， Piezo2也被證明在身體位置和運動感知，即本體感受中發揮着關鍵作用。在進一步的研究中， Piezo1和 Piezo2離子通道被證明可以調節其他重要的生理過程，包括血壓、呼吸和膀胱控制等。
Patapoutian使用培養的機械敏感細胞鑒定了一個由機械力激活的離子通道。經過艱苦的研究工作，他們識別出了Piezo1。通過研究與Piezo1相似的基因，研究者發現了第二個離子通道（Piezo2）。
全都說得“通”了！
今年諾貝爾獎得主發現的TRPV1、TRPM8與Piezo通道讓我們得以理解高溫、寒冷和機械力是如何激活神經脈衝、從而幫助我們感知和適應身邊世界的。TRP通道對我們的溫度感知能力至關重要。Piezo2通道則使我們具備了感受觸覺、以及感知各個身體部位位置及動作的能力。除此之外，TRP和Piezo通道還對多種依賴溫度或力刺激的生理功能起到了重大作用。在本次諾獎獲獎研究的基礎上，還有大量研究工作正在開展，致力於弄清這些通道在各種生理過程中發揮的功能。科學家正在利用這些研究成果研髮針對多種疾病的新療法，包括慢性疼痛等等。
本屆諾獎得主的重大發現解釋了高溫、寒冷和機械力是如何激活神經系統信號的。他們發現的離子通道對多種生理過程和疾病都具有重要作用。
過去6年諾貝爾生理學或醫學獎得主名單：
2020年——美英三位科學家Harvey J。 Alter、Michael Houghton、Charles M。 Rice獲獎，獲獎理由是“發現丙型肝炎病毒”。
2019年——美英三位科學家William G。 Kaelin Jr、Peter J。 Ratcliffe和Gregg L。 Semenza獲獎，獲獎理由是“發現了細胞如何感知和適應氧氣的可用性”。
2018年——美國科學家James P。 Allision和日本科學家Tasuku Honjo獲獎，獲獎理由是“發現了抑制負面免疫調節的癌症療法”。
2017年——三位美國科學家Jeffrey C。 Hall、Michael Rosbash和Michael W。 Young獲獎，獲獎理由是“發現了調控晝夜節律的分子機制”。
2016年——日本科學家Yoshinori Ohsumi獲獎，獲獎理由是“發現了細胞自噬機制。”
2015年——中國科學家屠呦呦獲獎，獲獎理由是“有關瘧疾新療法的發現”；另外兩位獲獎科學家為愛爾蘭的William C。 Campbell和日本的Satoshi Omura，獲獎理由是“有關蛔蟲寄生蟲感染新療法的發現”。
諾貝爾生理學或醫學獎小知識：
——從1901年到2020年，諾貝爾生理學或醫學獎共頒發了111次。未頒發的9年分別是1915、1916、1917、1918、1921、1925、1940、1941、1942年。
——111次頒獎中，39次為單人獲獎，33次為2人共享，39次為3人共享。
——從1901年至2020年，共222人獲獎。
——最年輕的獲獎者是加拿大科學家Frederick G。 Banting，1923年因“發現胰島素”獲獎，時年32歲。
——最年長的獲獎者是美國科學家Peyton Rous，1966年因“發現腫瘤誘導病毒”獲獎，時年87歲。
——222位諾貝爾生理學或醫學獎得主中，有12位是女性。分別是1947年的Gerty Cori，1977年的Rosalyn Yalow，1983年的Barbara McClintock，1986年的Rita Levi-Montalcini，1988年的Gertrude B。 Elion，1995年的Christiane Nüsslein-Volhard，2004年的Linda B。 Buck，2008年的Françoise Barré-Sinoussi，2009年的Elizabeth H。 Blackburn和Carol W。 Greider，2014年的May-Britt Moser，以及2015年的屠呦呦。