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光遗传学融合光学及遗传学的技术，精准控制特定细胞在空间与时间上的活动。其时间上精准程度可达到厘秒，而空间上则能达到单一细胞大小。2010年光遗传学被Nature Methods选为年度方法，同年被Science认为是近十年来的突破之一。在两个期刊也分别在Youtube影片 及科学美国人文章里，以科普的方式解释何谓光遗传学。
1979年弗朗西斯·克里克首次提出，为了了解大脑如何运作，我们需要一种方法，可以每次只让某一特定型态神经元活动被抑制，而不影响其他神经元的活动。然而就当时技术，利用侵入性电极来控制神经活动，没有办法准确控制哪些神经元被抑制或活化，而利用药物或者基因突变，虽然可以大致知道哪些神经元被影响，却没办法精准地控制何时这些神经元被抑制或活化。其后，许多人尝试将各式各样的基因或化合物结合在一起，希望其能表现在神经元里，利用光来控制神经元活动。这些方法虽然有效，但其在控制神经元活动的速度，标的神经元的精准度，能否表现在深层神经组织，对生物体是否有毒性，以及是否能简易地应用在其他模式生物系统等等考量上，往往并非理想，因而尝试几年之后，科学家转而思考，是否有办法找到在自然界中本身便对光有反应，并且能调控细胞电位的蛋白质。
然而其实早在1973年，微生物学家便发现细菌视紫质照光之后会成为离子转运蛋白，1977年发现盐细菌视紫红质也是离子转运蛋白，照黄绿光后会将氯离子打出细胞外，随后在2002年发现光敏感通道，照蓝光之后会将阳离子打进细胞内。
到了2005年八月，科学家第一次将光敏感通道表现在神经元里，发现我们可以用蓝光准确控制何时活化神经元，而光遗传学一词也在此时出现。随后发现细菌视紫质与盐细菌视紫红质也都能在神经元表现，准确调控其活动，并对神经元不产生毒害，至此之后，光遗传学迅速改变神经生物学界，成为了解特定神经元在大脑中扮演何种角色，不可或缺的工具。
光敏感通道-1(Channelrhodopsin-1)及光敏感通道-2(Channelrhodopsin-2)皆从莱茵衣藻里头发现，将其基因序列修改成最适合哺乳类表现之后，在大多模式生物系统之中都有很稳定的表现，且对细胞没有毒性。其中光敏感通道-2在全反式视黄醛(all-trans retinal)存在之下，可以在接受蓝光刺激50毫秒内，打开通道，使阳离子钠，钾流入细胞内，去极化神经细胞。不同的突变使光敏感通道-2有不同的特质，其中最常见的是将第134个氨基酸由组胺酸突变为精胺酸(ChR2(H134R))，该蛋白质可以产生两倍的光电流，但通道开关速度也比野生种慢了一倍.
在此之后，各式光遗传学工具纷纷出炉，大致上依其组成型态可分成三类。一类为以光敏感通道-2为基础，对其进行点突变，如上述的ChR2(H134R),ChR2(T159C)(TC),ChR2(L132C)(CatCh)等等，其中甚至有被称为跃阶光敏感通道（step function opsin, SFO)的突变，如ChR2(C128S/D156A)可以打开其离子通道长达30分钟。第二类则为将某部分光敏感通道-1及光敏感通道-2组合在一起的蛋白质，如ChIEF。第三类则为将光敏感通道-1及由团藻发现的光敏感通道(VChR1)组合在一起的蛋白质，统称为C1V1。
第一个有效抑制神经元活动的光遗传学工具，是从嗜盐碱菌里头发现的盐系菌视紫红质，简称NpHR。其在黄绿光照射下会将氯离子打进神经元内，使其过极化，而抑制神经元活动。随后科学家将其加上信号肽，使其能在细胞膜上表现更好，即为eNpHR2.0及eNpHR3.0。由于盐系菌视紫红质与光敏感通道接受不同波长的光，因此可以将此二蛋白质表现在同一神经元上，利用不同波长的光活化或抑制该神经元活动，而能更深刻了解该神经元在大脑中扮演的角色。
此外还有从苏打盐红菌里发现的古紫质(Archaerhodopsin-3, Arch)，古紫质为反质子泵，其对黄绿光非常敏感，使用900毫安培的黄绿光便能活化，将氢离子运送至神经元外，使其去极化。另外还有从真菌茎基溃疡病菌发现的Mac，可在蓝绿光照射下，将氢离子运送至神经元外。
值得注意的是，NpHR与Arch或Mac用不同机转来抑制神经元活动，近来发现NpHR将氯离子送至细胞内所导致的去极化，会在去极化后提升突触所引起的动作电位产生机率，而将氢离子运送至神经元外的Arch或Mac并无此影响，显示抑制神经元活动的光遗传学工具，可能会和神经原本身的讯号系统互相作用。
秀丽隐杆线虫因其全身透明，基因克隆技术简单，且其神经网络如何连结大致已被界定，很适合利用光遗传学来研究其神经网络如何控制行为。研究显示光敏感通道-2、盐系菌视紫红质、古紫质(Archaerhodpsin-3, Arch)均能在秀丽隐杆线虫上表现，控制神经元活动。许多科学研究已经能成功在自由移动的秀丽隐杆线虫，利用光学技术，控制特定神经元活动。利用光遗传学技术，现在研究已经了解部分痛觉网络的神经元扮演的角色，发现控制特定神经元活动得以使秀丽隐杆线虫转弯、后退，甚至沿着虚拟光梯度前行。