L'optogenetica introduce proteine ​​fotosensibili nelle cellule bersaglio, consentendo un controllo ottico preciso del potenziale di membrana sotto illuminazione specifica. Questo approccio permette la manipolazione di singole cellule o circuiti neurali in tempi dell'ordine dei millisecondi, fornendo un potente strumento per lo studio della funzione dei circuiti neurali, dei meccanismi delle malattie e degli effetti dei farmaci. Le applicazioni includono l'analisi delle relazioni tra circuiti e comportamento nelle neuroscienze, lo studio di disturbi neurologici come l'epilessia e il morbo di Parkinson, e la modellizzazione dell'elettrofisiologia cardiaca e delle aritmie.

Gli esperimenti di optogenetica spesso combinano la fluorescenza a campo ampio, la microscopia a due fotoni o piattaforme di stimolazione a fibra ottica. Questi studi richiedono un targeting spazialmente preciso di cellule o circuiti, catturando al contempo in modo dinamico la rapida attività elettrica, imponendo requisiti estremamente elevati sia alla risoluzione spaziale che temporale dei sistemi di imaging.