1979年，DNA結構的著名共同發現者弗朗西斯·克里克在《大眾科學》雜誌上發表了一篇文章，列出了一份技術願望清單，這些技術對於從根本上改進對大腦處理資訊方式的理解是必需的。在他的願望清單中，首要的是一種控制特定類別神經元的方法，同時，他寫道，“讓其他神經元或多或少保持不變。”
在過去的幾年裡，由於光纖和基因工程的複雜結合，克里克關於靶向神經元的願景開始實現。被稱為光遺傳學的技術的出現甚至引起了公眾的關注，因為它能夠改變動物的行為——一個研究小組演示瞭如何將光匯入小鼠的大腦中，從而驅動它無休止地轉圈。這種壯舉激發了許多公眾評論，包括喜劇演員傑·雷諾在2006年開的一個關於光遺傳學控制的蒼蠅騷擾喬治·W·布什的玩笑。
用升級的雷射筆控制下屬或配偶對於科幻反烏托邦和深夜幽默可能是必不可少的，但在現實中，光遺傳學已經成為為深入瞭解哺乳動物大腦令人麻木的複雜迴路而出現的最重要的新技術。它已經為神經錯亂如何導致神經和精神障礙（包括帕金森病和精神分裂症）提供了線索。
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2005年發生了一件具有里程碑意義的事件，引起了神經科學界的廣泛關注，當時卡爾·戴瑟羅斯及其在斯坦福大學和法蘭克福馬克斯·普朗克生物物理研究所的同事演示瞭如何使用病毒將一種名為channelrhodopsin-2的光敏基因傳遞到特定組的哺乳動物神經元中。一旦配備了從池塘藻類中提取的基因，神經元在暴露於光脈衝時就會放電。克里克清單上的一個專案可以被勾選掉：這個實驗以及隨後不久進行的實驗表明，有可能在幾毫秒內觸發或熄滅選定的神經元，而不是它們的鄰居，這正是它們正常放電的速度。此後，全球數百個實驗室採用了戴瑟羅斯的技術。
戴瑟羅斯是一位38歲的精神科醫生，仍然每週看一次病人，他進入生物工程領域是因為他對可用於研究和治療精神疾病和神經退行性疾病的工具不足感到沮喪。“我曾在精神病學中進行過許多腦刺激治療，這些治療都因缺乏精確性而受到很大影響。您可以刺激您想要靶向的某些細胞，但您也會刺激所有錯誤的細胞，”他說。光遺傳學不是僅僅觀察藥物或植入電極的效果，而是讓研究人員更接近行為的根本原因。
自2005年以來，戴瑟羅斯的實驗室——有時與領先的神經科學小組合作——組裝了一個基於channelrhodopsin-2和其他所謂的視蛋白的強大工具包。透過調整細胞膜中通道的開啟或關閉，視蛋白可以開啟或關閉神經元。分子戲法還可以操縱一種神經元的子集，或控制選定神經元組之間（例如，邊緣系統和其他皮層中的神經元組之間）的迴路。戴瑟羅斯還改進了傳遞視蛋白基因的方法，通常是將視蛋白基因和DNA插入病毒中以開啟這些基因。
為了啟用視蛋白，戴瑟羅斯的實驗室將雷射二極體連線到到達大腦最深層結構的微小光纖電纜上。與光纖一起植入的電極記錄神經元何時放電。“在過去的一年中發生的事情是，這些技術已經從在有限應用中有趣且有用的東西轉變為可推廣到生物學中任何細胞或問題的技術，”戴瑟羅斯說。
然而，最引人注目的是證明光遺傳學與基礎科學和醫學都相關的實驗。在去年10月於芝加哥舉行的神經科學學會會議上，倫敦大學學院的邁克爾·豪瑟報告了一項光遺傳學實驗，該實驗表明100個神經元如何觸發儲存在約100,000個神經元的更大集合中的記憶，這表明該技術可能被用於理解記憶形成。
去年春天，戴瑟羅斯的研究小組發表了一項光遺傳學研究，該研究有助於闡明深部腦刺激的工作原理，深部腦刺激使用植入大腦深處的電極來減輕帕金森病的異常運動。該實驗質疑了該技術如何工作的領先理論——啟用一個稱為丘腦底核的區域。相反，電極似乎對從運動皮層和可能其他區域到達丘腦底核的神經纖維發揮作用。這一發現已經促使人們更好地理解如何部署深部腦電極。鑑於其精細的特異性，光電子學最終可能會取代深部腦刺激。
儘管對人類行為的光遺傳學控制可能還需要數年時間，但戴瑟羅斯評論說，必須考慮該技術的長遠影響：“我沒有撰寫倫理論文，但我每天都在思考這些問題，即理解和控制什麼是慾望、什麼是需求、什麼是希望可能意味著什麼。”
注意：這篇文章最初的標題是“大腦中的光”