編者注：本文是關於2016年十大新興技術特別報告的一部分，該報告由世界經濟論壇製作。新興技術元理事會編制的這份榜單，重點介紹了論壇成員（包括《大眾科學》主編瑪麗埃特·迪克里斯蒂娜）認為有能力改善生活、變革行業和保護地球的技術進步。它還提供了一個機會，在技術被廣泛採用之前，討論這些技術可能帶來的人類、社會、經濟或環境風險和擔憂。
大腦，即使是像小鼠那樣相對簡單的大腦，其複雜性也令人望而生畏。神經科學家和心理學家可以觀察大腦如何對各種刺激做出反應，他們甚至繪製了基因在大腦中的表達圖譜。但是，由於無法控制單個神經元和其他型別腦細胞的開啟和關閉時間，研究人員發現很難解釋大腦如何工作，至少無法詳細到足以徹底理解——並最終治癒——帕金森病和重度抑鬱症等疾病。
科學家們嘗試使用電極記錄神經元活動，這在一定程度上有效。但這是一種粗糙且不精確的方法，因為電極會刺激附近的所有神經元，並且無法區分不同型別的腦細胞。
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2005年取得了一項突破，當時神經遺傳學家展示了一種利用基因工程使神經元對特定顏色的光做出反應的方法。這項稱為光遺傳學的技術，建立在20世紀70年代對色素蛋白（統稱為視紫紅質，由視蛋白基因家族編碼）的研究基礎上。這些蛋白質就像光啟用的離子泵。缺乏眼睛的微生物利用視紫紅質幫助從入射光中提取能量和資訊。
透過將一個或多個視蛋白基因插入小鼠的特定神經元中，生物學家現在能夠使用可見光隨意開啟或關閉特定的神經元。多年來，科學家們定製了這些蛋白質的版本，使其對不同的顏色做出反應，範圍從深紅色到綠色、黃色到藍色。透過將不同的基因放入不同的細胞中，他們使用各種顏色的光脈衝來啟用一個神經元，然後按精確的時間順序啟用其附近的幾個神經元。
這是一項至關重要的進步，因為在活體大腦中，時間就是一切。在某一時刻發出的訊號可能與幾毫秒後發出的同一訊號產生完全相反的效果。
光遺傳學的發明大大加快了腦科學的進展速度。但是，實驗人員受到將光深入大腦組織的困難的限制。現在，超薄、柔性的微晶片，每個都幾乎不比神經元大，正在作為可注射裝置進行測試，以實現對神經的無線控制。它們可以插入大腦深處，對覆蓋組織造成的損傷最小。
光遺傳學已經為腦部疾病打開了新的大門，包括帕金森病的震顫、慢性疼痛、視力損傷和抑鬱症。大腦的神經化學對於某些腦部疾病顯然很重要，這就是為什麼藥物可以幫助改善症狀——在一定程度上。但是，如果大腦的高速電路也受到干擾，光遺傳學研究，特別是當新興的無線微晶片技術增強時，可能會為治療提供新的途徑。例如，最近的研究表明，在某些情況下，關閉特定神經元的非侵入性光療法可以治療慢性疼痛，為阿片類藥物提供了一種受歡迎的替代方案。
由於全球四分之一的人口受到精神疾病的影響，精神疾病是導致殘疾的主要原因，因此先進的光遺傳學將提供的對大腦的更好理解再及時不過了。