L'optogénétique introduit des protéines photosensibles dans les cellules cibles, permettant un contrôle optique précis du potentiel membranaire sous un éclairage spécifique. Cette approche permet une manipulation à l'échelle de la milliseconde de cellules individuelles ou de circuits neuronaux, offrant un outil puissant pour étudier la fonction des circuits neuronaux, les mécanismes pathologiques et les effets des médicaments. Parmi ses applications, on peut citer l'analyse des relations entre les circuits et le comportement en neurosciences, l'étude des troubles neurologiques tels que l'épilepsie et la maladie de Parkinson, ainsi que la modélisation de l'électrophysiologie cardiaque et des arythmies.

Les expériences d'optogénétique combinent souvent la fluorescence à champ large, la microscopie biphotonique ou des plateformes de stimulation par fibre optique. Ces études nécessitent un ciblage spatial précis des cellules ou des circuits tout en capturant dynamiquement une activité électrique rapide, ce qui impose des exigences extrêmement élevées en matière de résolution spatiale et temporelle des systèmes d'imagerie.