编者注：本文是关于2016年十大新兴技术特别报告的一部分，该报告由世界经济论坛制作。新兴技术元理事会编制的这份榜单，重点介绍了论坛成员（包括《大众科学》主编玛丽埃特·迪克里斯蒂娜）认为有能力改善生活、变革行业和保护地球的技术进步。它还提供了一个机会，在技术被广泛采用之前，讨论这些技术可能带来的人类、社会、经济或环境风险和担忧。
大脑，即使是像小鼠那样相对简单的大脑，其复杂性也令人望而生畏。神经科学家和心理学家可以观察大脑如何对各种刺激做出反应，他们甚至绘制了基因在大脑中的表达图谱。但是，由于无法控制单个神经元和其他类型脑细胞的开启和关闭时间，研究人员发现很难解释大脑如何工作，至少无法详细到足以彻底理解——并最终治愈——帕金森病和重度抑郁症等疾病。
科学家们尝试使用电极记录神经元活动，这在一定程度上有效。但这是一种粗糙且不精确的方法，因为电极会刺激附近的所有神经元，并且无法区分不同类型的脑细胞。
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2005年取得了一项突破，当时神经遗传学家展示了一种利用基因工程使神经元对特定颜色的光做出反应的方法。这项称为光遗传学的技术，建立在20世纪70年代对色素蛋白（统称为视紫红质，由视蛋白基因家族编码）的研究基础上。这些蛋白质就像光激活的离子泵。缺乏眼睛的微生物利用视紫红质帮助从入射光中提取能量和信息。
通过将一个或多个视蛋白基因插入小鼠的特定神经元中，生物学家现在能够使用可见光随意开启或关闭特定的神经元。多年来，科学家们定制了这些蛋白质的版本，使其对不同的颜色做出反应，范围从深红色到绿色、黄色到蓝色。通过将不同的基因放入不同的细胞中，他们使用各种颜色的光脉冲来激活一个神经元，然后按精确的时间顺序激活其附近的几个神经元。
这是一项至关重要的进步，因为在活体大脑中，时间就是一切。在某一时刻发出的信号可能与几毫秒后发出的同一信号产生完全相反的效果。
光遗传学的发明大大加快了脑科学的进展速度。但是，实验人员受到将光深入大脑组织的困难的限制。现在，超薄、柔性的微芯片，每个都几乎不比神经元大，正在作为可注射设备进行测试，以实现对神经的无线控制。它们可以插入大脑深处，对覆盖组织造成的损伤最小。
光遗传学已经为脑部疾病打开了新的大门，包括帕金森病的震颤、慢性疼痛、视力损伤和抑郁症。大脑的神经化学对于某些脑部疾病显然很重要，这就是为什么药物可以帮助改善症状——在一定程度上。但是，如果大脑的高速电路也受到干扰，光遗传学研究，特别是当新兴的无线微芯片技术增强时，可能会为治疗提供新的途径。例如，最近的研究表明，在某些情况下，关闭特定神经元的非侵入性光疗法可以治疗慢性疼痛，为阿片类药物提供了一种受欢迎的替代方案。
由于全球四分之一的人口受到精神疾病的影响，精神疾病是导致残疾的主要原因，因此先进的光遗传学将提供的对大脑的更好理解再及时不过了。