光遗传学（Optogenetics）是结合光学与遗传学手段，精确控制特定神经元活动的技术。该技术利用基因操作技术手段，将外源光敏感蛋白基因导入活细胞，在细胞膜结构上进行光敏感通道蛋白的表达。然后通过特定波长光的照射，完成细胞膜结构上的光敏感通道蛋白的激活与关闭，以控制离子通道的打开与关闭，进而改变细胞膜电压的变化，如膜的去极化与超极化。当膜电压去极化超过一定阈值时就会诱发神经元产生可传导的电信号，即神经元的激活。相反，当膜电压超极化到一定水平时，就会抑制神经元动作电位的产生，即神经元的抑制。
传统的电生理激活多种神经元，具有高时间分辨率。相比电生理，光遗传学技术可以无损伤或低损伤地控制特异神经元的活动，来研究该神经网络功能，特别适用于在活体、甚至清醒动物行为学实验，具有高时空分辨率、高特异性以及轴突投射选择性。
光遗传学技术调控细胞的活性取决于光敏感通道蛋白的种类，即兴奋性光敏感通道和抑制性光敏感通道。如果转入细胞的通道是ChR，在细胞受到蓝光照射时，通道开放，阳离子大量内流，产生去极化诱发动作电位，激活细胞。如果转入细胞的通道是HR，细胞在受到黄光照射时，通道开放，阴离子大量内流，产生超极化导致动作电位不易发出，抑制细胞活性。此外，还有一类光激活或抑制的通道optoXR，给予一定频率的光激活后，改变的是细胞内激酶系统，影响细胞活动。