Optogenetyka to kontrolowanie działania komórki za pomocą kombinacji technik genetycznych i optycznych. Ta metoda rozpoczęła się od odkrycia biochemikaliów, które pod wpływem światła wywołują reakcje komórkowe. Izolując geny, które kodują te białka, naukowcy wykorzystują je do stymulowania reakcji świetlnych w innych żywych komórkach. Wiedza zdobyta dzięki optogenetyce zapewnia naukowcom lepszy wgląd w różne procesy chorobowe.
W latach 1970. naukowcy odkryli, że niektóre organizmy wytwarzają białka kontrolujące ładunki elektryczne, które normalnie przechodzą przez błony komórkowe. Białka te powodowały interakcję między komórkami po wystawieniu na działanie światła o określonej długości fali. Białka te, powszechnie nazywane białkami G, są kodowane przez grupę genów znanych jako opsyny. W tym czasie naukowcy odkryli, że bakteriorodopsyny reagują na zielone światło. Dalsze badania wykazały innych członków rodziny opsyn, w tym rodopsynę kanałową i halorodopsynę.
W ciągu dekady 2000-2010 neuronaukowcy odkryli, że możliwe jest wyodrębnienie genów opsyny i umieszczenie ich w innych żywych komórkach, które następnie uzyskują taką samą światłoczułość. Jedna z początkowo zastosowanych metod polegała na usunięciu genów opsyny, połączeniu ich z łagodnym wirusem i umieszczeniu ich w żywych neuronach na płytce Petriego. Kiedy wstrzyknięte komórki wystawiono na działanie impulsów zielonego światła, neurony odpowiedziały otwarciem kanałów jonowych. Po otwarciu kanałów komórki otrzymały napływ jonów, które spowodowały przepływ prądu elektrycznego, inicjując komunikację z innym neuronem. Naukowcy odkryli, że inne białka G reagują na różne kolory światła, hamując lub wzmacniając kanały jonów wapnia i uwalnianie adrenaliny.
Badania ostatecznie przeszły od zastosowania optogenetyki do małej grupy żywych komórek do wykorzystania żywych ssaków. Wprowadzając geny opsyny do mózgów myszy, komórki zaczęły wytwarzać białka G. Dzięki tym białkom G i światłowodom naukowcy byli w stanie kontrolować tempo odpalania neuronów. Opracowali również metodę przekształcania małego włókna światłowodowego w elektrodę, aby zapewnić elektryczny odczyt aktywności komórkowej. Ten interfejs mózg-komputer umożliwia naukowcom ocenę i regulację określonych grup komórek w dowolnym miejscu mózgu.
Łącząc obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) i optogenetykę, naukowcy są w stanie mapować czynności neuronalne i ścieżki w mózgu. Badając zawiłości funkcji neurologicznych, lekarze mogą lepiej zrozumieć, co stanowi normalną i nieprawidłową aktywność mózgu. W przeciwieństwie do leków i elektroterapii, optogenetyka umożliwia regulację określonych komórek i szlaków. Wiedza i technologia uzyskane z optogenetyki pozwalają również na kontrolę funkcji komórek serca, limfocytów i komórek trzustki wydzielających insulinę.