每一代新的天文学家都发现宇宙比他们的前辈想象的要大得多。大脑的复杂性也是如此。当应用于大脑研究时，每个时代最先进的技术都在不断揭示更多层嵌套的复杂性，就像一套永无止境的俄罗斯套娃。我们现在知道，在神经系统内有多达 1,000 种不同亚型的神经细胞和支持细胞——神经胶质细胞和星形胶质细胞。每种细胞类型都由其化学成分、神经元形态、突触结构和输入-输出处理来定义。
不同的细胞类型以特定的方式连接在一起。例如，一个深层 5 层锥体神经元可能会将其纤细的输出线轴突蜿蜒到皮层下目标区域，同时还将连接延伸到抑制性局部神经元。为了理解大脑皮层-丘脑复合体如何产生任何一种有意识的感觉，需要描绘出大脑中 1000 亿个细胞的这些底层回路。
诸如功能性脑成像或脑电图等批量组织技术可以识别与视觉、疼痛或记忆相关的特定大脑区域。然而，它们无法解析所有重要回路层面的细节。脑成像追踪数百万神经元的能量消耗，而不管它们是兴奋性的还是抑制性的，是局部投射还是全局投射，等等。为了在意识方面取得进展，需要更精细的东西。
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此外，随着我们对大脑的理解不断加深，我们干预的愿望，即帮助改善思维容易受到的许多病理，也随之增长。然而，今天的工具（药物和脑深部刺激）相对粗糙，具有不良副作用。
一项惊人的技术应运而生，它是分子生物学与光学刺激的融合，被称为光遗传学。它基于三位德国生物物理学家——彼得·黑格曼、恩斯特·班贝格和格奥尔格·纳格尔在古代细菌中的感光器方面取得的一些基本发现。这些感光器直接（而不是像您眼睛中的感光器那样间接）将光谱蓝色部分的入射光转换为兴奋性的正电信号。这三人还分离出了这种蛋白质的基因，称为通道视紫红质-2 (ChR2)。班贝格和纳格尔随后与斯坦福大学精神病学和生物工程学教授卡尔·戴瑟罗思以及现在的麻省理工学院的爱德华·S·博伊登进行了富有成果的合作。
该小组提取了 ChR2 基因，将其插入一种小型病毒中，并用这种病毒感染神经元。许多神经元接受了外来指令，合成了 ChR2 蛋白，并将感光器插入了它们的膜中。在黑暗中，受体静静地坐在那里，对其宿主细胞没有明显的影响。但是，用短暂的蓝光闪光（10 毫秒）照射网络会导致每个细菌感光器稍微震动其宿主细胞。总的来说，它们可靠且重复地产生膜电压的尖峰。尖峰是除最小的神经系统外，所有神经系统都用来在神经元之间传递信息的通用全有或全无脉冲。每次打开灯时，细胞都会可靠地产生尖峰，正好一次。因此，可以通过精确定时的光线刺击来操纵整个神经元群体。
生物物理学家在他的工具包中添加了另一个感光器。它源自另一种细菌，一种生活在撒哈拉沙漠干燥盐湖中的细菌。用黄光照射它会产生抑制性的负信号。通过相同的病毒策略，两种感光器类型都被引入神经元。一旦神经元稳定地将两种类型都整合到其膜中，它就可以被蓝光激发，并被黄光抑制。每次蓝光闪烁都会引发一个尖峰，就像按下钢琴键时发出的音符一样。但是同时闪烁的黄光可以阻止该尖峰。考虑一下从这样一个神经元记录下来的“乐谱”，当它被光演奏时。这种精确控制一个或多个神经元电活动的能力是前所未有的。
但是，这项技术对于辨别思维回路的好处远不止于此，因为携带感光器基因的病毒还可以携带启动子序列，这些序列仅在具有适当分子地址的神经元中表达其有效载荷。因此，与其激发特定邻域中的所有神经元，不如专注于合成特定神经递质或将其输出发送到特定位置的子集。
戴瑟罗思的小组利用这种能力，将 ChR2 引入到位于小鼠大脑深处外侧下丘脑的一组神经元中。这里大约有 750 个细胞产生食欲素（也称为下丘脑分泌素），这是一种促进觉醒的激素。食欲素受体中的突变与嗜睡症（一种慢性睡眠障碍）有关。由于这种操作，几乎所有食欲素神经元，但没有其他混杂的神经元，都携带 ChR2 感光器。此外，通过光纤的蓝光精确且可靠地在食欲素细胞中产生尖峰波。
如果这个实验在睡着的小鼠身上进行会发生什么？在对照组动物中，几百次蓝光闪烁后，啮齿动物大约在一分钟后醒来。当相同的光照射到携带 ChR2 基因的动物时，它们在一半的时间内醒来。也就是说，照亮大脑地下墓穴的幽灵般的蓝光，并导致已知身份的一小部分神经元产生电尖峰，从而唤醒动物。通过额外的控制，斯坦福大学的研究小组证明，来自外侧下丘脑的食欲素释放是驱动这种行为的原因。这项堪称典范的研究确立了大脑神经元子集的电活动与睡眠-觉醒转换之间令人信服的因果关系。
过去几年中，一系列如此精彩的介入性小鼠实验揭示了参与各种正常和病理行为的特定回路元件：抑郁症、行为条件反射、帕金森病和对注意力至关重要的皮层振荡等等。它们甚至帮助视网膜退化致盲的小鼠恢复了视力。ChR2 实验已在猴子身上成功进行；一些精神疾病的实验性人体试验正在积极考虑中。
光遗传学对于意识的重要性在于，它允许测试关于意识神经基础的特定假设。例如，来自较高皮层区域到较低区域的反馈在多大程度上是必要的？通过训练动物完成一项依赖于意识感觉的任务来找出答案，然后用光使这些回路元件失活，并观察动物的行为。
DNA 双螺旋结构的共同发现者弗朗西斯·克里克和我曾假设，位于大部分皮层下方的神秘薄结构——屏状核，对于跨感官模式绑定信息并使其可用于意识至关重要。挑战在于找到一种合适的行为，要求小鼠动态地跨模式（例如，触觉和嗅觉）组合信息。然后在动物执行任务时激发或抑制屏状核神经元，以研究该结构对于这种行为的必要程度。
重组 DNA 技术、蛋白质和病毒设计、基因组学、光纤、激光和微型仪器的明智组合将使科学家能够探索奇怪的新理论，这些理论弥合了客观大脑和主观思维之间的差距，从而大胆地走向无人之境。