Bằng cách đưa các kênh hoặc bơm ion nhạy sáng vào các tế bào thần kinh cụ thể, các nhà nghiên cứu có thể bật hoặc tắt các tế bào đó bằng các xung ánh sáng ngắn. Phương pháp này, được gọi là quang di truyền học, kết hợp nhắm mục tiêu gen với điều khiển quang học và đã làm thay đổi việc nghiên cứu các mạch thần kinh.

Channelrhodopsin khử cực tế bào thần kinh khi được chiếu sáng bằng ánh sáng xanh lam; halorhodopsin và các bơm liên quan làm tăng phân cực tế bào thần kinh khi được chiếu sáng bằng ánh sáng vàng hoặc xanh lục. Vì các opsin có thể được biểu hiện dưới sự điều khiển của các promoter đặc hiệu cho từng loại tế bào, nên các quần thể tế bào xác định có thể được kiểm soát với độ chính xác đến từng mili giây trong khi các tế bào xung quanh vẫn không bị ảnh hưởng. Sợi quang hoặc mảng vi đèn LED có thể truyền ánh sáng đến cả các cấu trúc sâu bên trong cơ thể động vật di chuyển tự do.

Kỹ thuật quang di truyền học đã được sử dụng để xác định các mạch thần kinh đủ điều kiện cho các hành vi cụ thể, để kiểm tra tính cần thiết bằng cách ức chế hoạt động thần kinh, và để nghiên cứu các yêu cầu về thời gian của mã thần kinh. Việc ứng dụng lâm sàng đang được nghiên cứu cho các bệnh như mù lòa và một số rối loạn vận động. Sức mạnh của kỹ thuật này nằm ở sự kết hợp giữa tính đặc hiệu tế bào và độ phân giải thời gian cao.

Chỉ cần một tia sáng duy nhất giờ đây có thể hé lộ đóng góp nhân quả của một nhóm tế bào thần kinh được xác định chính xác.