每一代新的天文學家都發現宇宙比他們的前輩想象的要大得多。大腦的複雜性也是如此。當應用於大腦研究時，每個時代最先進的技術都在不斷揭示更多層巢狀的複雜性，就像一套永無止境的俄羅斯套娃。我們現在知道，在神經系統內有多達 1,000 種不同亞型的神經細胞和支援細胞——神經膠質細胞和星形膠質細胞。每種細胞型別都由其化學成分、神經元形態、突觸結構和輸入-輸出處理來定義。
不同的細胞型別以特定的方式連線在一起。例如，一個深層 5 層錐體神經元可能會將其纖細的輸出線軸突蜿蜒到皮層下目標區域，同時還將連線延伸到抑制性區域性神經元。為了理解大腦皮層-丘腦複合體如何產生任何一種有意識的感覺，需要描繪出大腦中 1000 億個細胞的這些底層迴路。
諸如功能性腦成像或腦電圖等批次組織技術可以識別與視覺、疼痛或記憶相關的特定大腦區域。然而，它們無法解析所有重要回路層面的細節。腦成像追蹤數百萬神經元的能量消耗，而不管它們是興奮性的還是抑制性的，是區域性投射還是全域性投射，等等。為了在意識方面取得進展，需要更精細的東西。
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此外，隨著我們對大腦的理解不斷加深，我們干預的願望，即幫助改善思維容易受到的許多病理，也隨之增長。然而，今天的工具（藥物和腦深部刺激）相對粗糙，具有不良副作用。
一項驚人的技術應運而生，它是分子生物學與光學刺激的融合，被稱為光遺傳學。它基於三位德國生物物理學家——彼得·黑格曼、恩斯特·班貝格和格奧爾格·納格爾在古代細菌中的感光器方面取得的一些基本發現。這些感光器直接（而不是像您眼睛中的感光器那樣間接）將光譜藍色部分的入射光轉換為興奮性的正電訊號。這三人還分離出了這種蛋白質的基因，稱為通道視紫紅質-2 (ChR2)。班貝格和納格爾隨後與斯坦福大學精神病學和生物工程學教授卡爾·戴瑟羅思以及現在的麻省理工學院的愛德華·S·博伊登進行了富有成果的合作。
該小組提取了 ChR2 基因，將其插入一種小型病毒中，並用這種病毒感染神經元。許多神經元接受了外來指令，合成了 ChR2 蛋白，並將感光器插入了它們的膜中。在黑暗中，受體靜靜地坐在那裡，對其宿主細胞沒有明顯的影響。但是，用短暫的藍光閃光（10 毫秒）照射網路會導致每個細菌感光器稍微震動其宿主細胞。總的來說，它們可靠且重複地產生膜電壓的尖峰。尖峰是除最小的神經系統外，所有神經系統都用來在神經元之間傳遞資訊的通用全有或全無脈衝。每次開啟燈時，細胞都會可靠地產生尖峰，正好一次。因此，可以透過精確定時的光線刺擊來操縱整個神經元群體。
生物物理學家在他的工具包中添加了另一個感光器。它源自另一種細菌，一種生活在撒哈拉沙漠乾燥鹽湖中的細菌。用黃光照射它會產生抑制性的負訊號。透過相同的病毒策略，兩種感光器型別都被引入神經元。一旦神經元穩定地將兩種型別都整合到其膜中，它就可以被藍光激發，並被黃光抑制。每次藍光閃爍都會引發一個尖峰，就像按下鋼琴鍵時發出的音符一樣。但是同時閃爍的黃光可以阻止該尖峰。考慮一下從這樣一個神經元記錄下來的“樂譜”，當它被光演奏時。這種精確控制一個或多個神經元電活動的能力是前所未有的。
但是，這項技術對於辨別思維迴路的好處遠不止於此，因為攜帶感光器基因的病毒還可以攜帶啟動子序列，這些序列僅在具有適當分子地址的神經元中表達其有效載荷。因此，與其激發特定鄰域中的所有神經元，不如專注於合成特定神經遞質或將其輸出傳送到特定位置的子集。
戴瑟羅思的小組利用這種能力，將 ChR2 引入到位於小鼠大腦深處外側下丘腦的一組神經元中。這裡大約有 750 個細胞產生食慾素（也稱為下丘腦分泌素），這是一種促進覺醒的激素。食慾素受體中的突變與嗜睡症（一種慢性睡眠障礙）有關。由於這種操作，幾乎所有食慾素神經元，但沒有其他混雜的神經元，都攜帶 ChR2 感光器。此外，透過光纖的藍光精確且可靠地在食慾素細胞中產生尖峰波。
如果這個實驗在睡著的小鼠身上進行會發生什麼？在對照組動物中，幾百次藍光閃爍後，齧齒動物大約在一分鐘後醒來。當相同的光照射到攜帶 ChR2 基因的動物時，它們在一半的時間內醒來。也就是說，照亮大腦地下墓穴的幽靈般的藍光，並導致已知身份的一小部分神經元產生電尖峰，從而喚醒動物。透過額外的控制，斯坦福大學的研究小組證明，來自外側下丘腦的食慾素釋放是驅動這種行為的原因。這項堪稱典範的研究確立了大腦神經元子集的電活動與睡眠-覺醒轉換之間令人信服的因果關係。
過去幾年中，一系列如此精彩的介入性小鼠實驗揭示了參與各種正常和病理行為的特定迴路元件：抑鬱症、行為條件反射、帕金森病和對注意力至關重要的皮層振盪等等。它們甚至幫助視網膜退化致盲的小鼠恢復了視力。ChR2 實驗已在猴子身上成功進行；一些精神疾病的實驗性人體試驗正在積極考慮中。
光遺傳學對於意識的重要性在於，它允許測試關於意識神經基礎的特定假設。例如，來自較高皮層區域到較低區域的反饋在多大程度上是必要的？透過訓練動物完成一項依賴於意識感覺的任務來找出答案，然後用光使這些迴路元件失活，並觀察動物的行為。
DNA 雙螺旋結構的共同發現者弗朗西斯·克里克和我曾假設，位於大部分皮層下方的神秘薄結構——屏狀核，對於跨感官模式繫結資訊並使其可用於意識至關重要。挑戰在於找到一種合適的行為，要求小鼠動態地跨模式（例如，觸覺和嗅覺）組合資訊。然後在動物執行任務時激發或抑制屏狀核神經元，以研究該結構對於這種行為的必要程度。
重組 DNA 技術、蛋白質和病毒設計、基因組學、光纖、雷射和微型儀器的明智組合將使科學家能夠探索奇怪的新理論，這些理論彌合了客觀大腦和主觀思維之間的差距，從而大膽地走向無人之境。