Both observational and perturbational technologies are essential for advancing the understanding of brain function and dysfunction. But while observational techniques have greatly advanced in the last century, techniques for perturbation that are matched to the speed and heterogeneity of neural systems have lagged behind. The technology of optogenetics represents a step toward addressing this disparity. Reliable and targetable single-component tools (which encompass both light sensation and effector function within a single protein) have enabled versatile new classes of investigation in the study of neural systems. Here we provide a primer on the application of optogenetics in neuroscience, focusing on the single-component tools and highlighting important problems, challenges, and technical considerations. Both observational and perturbational technologies are essential for advancing the understanding of brain function and dysfunction. But while observational techniques have greatly advanced in the last century, techniques for perturbation that are matched to the speed and heterogeneity of neural systems have lagged behind. The technology of optogenetics represents a step toward addressing this disparity. Reliable and targetable single-component tools (which encompass both light sensation and effector function within a single protein) have enabled versatile new classes of investigation in the study of neural systems. Here we provide a primer on the application of optogenetics in neuroscience, focusing on the single-component tools and highlighting important problems, challenges, and technical considerations.

Neural activity in the noradrenergic locus coeruleus correlates with periods of wakefulness and arousal. However, it is unclear whether tonic or phasic activity in these neurons is necessary or sufficient to induce transitions between behavioral states and to promote long-term arousal. Using optogenetic tools in mice, we found that there is a frequency-dependent, causal relationship among locus coeruleus firing, cortical activity, sleep-to-wake transitions and general locomotor arousal. We also found that sustained, high-frequency stimulation of the locus coeruleus at frequencies of 5 Hz and above caused reversible behavioral arrests. These results suggest that the locus coeruleus is finely tuned to regulate organismal arousal and that bursts of noradrenergic overexcitation cause behavioral attacks that resemble those seen in people with neuropsychiatric disorders.

In this Analysis, the authors directly experimentally compare microbial opsins used for the control of neural activity. They extract essential principles and key parameters that can help end users with the design and interpretation of optogenetic experiments and guide tool developers in the characterization of future tools. Diverse optogenetic tools have allowed versatile control over neural activity. Many depolarizing and hyperpolarizing tools have now been developed in multiple laboratories and tested across different preparations, presenting opportunities but also making it difficult to draw direct comparisons. This challenge has been compounded by the dependence of performance on parameters such as vector, promoter, expression time, illumination, cell type and many other variables. As a result, it has become increasingly complicated for end users to select the optimal reagents for their experimental needs. For a rapidly growing field, critical figures of merit should be formalized both to establish a framework for further development and so that end users can readily understand how these standardized parameters translate into performance. Here we systematically compared microbial opsins under matched experimental conditions to extract essential principles and identify key parameters for the conduct, design and interpretation of experiments involving optogenetic techniques.

Currently there is no general approach for achieving specific optogenetic control of genetically defined cell types in rats, which provide a powerful experimental system for numerous established neurophysiological and behavioral paradigms. To overcome this challenge we have generated genetically restricted recombinase-driver rat lines suitable for driving gene expression in specific cell types, expressing Cre recombinase under the control of large genomic regulatory regions (200-300 kb). Multiple tyrosine hydroxylase (Th)::Cre and choline acetyltransferase (Chat)::Cre lines were produced that exhibited specific opsin expression in targeted cell types. We additionally developed methods for utilizing optogenetic tools in freely moving rats and leveraged these technologies to clarify the causal relationship between dopamine (DA) neuron firing and positive reinforcement, observing that optical stimulation of DA neurons in the ventral tegmental area (VTA) of Th::Cre rats is sufficient to support vigorous intracranial self-stimulation (ICSS). These studies complement existing targeting approaches by extending the generalizability of optogenetics to traditionally non-genetically-tractable but vital animal models.

Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated cation channels derived from algae that have shown experimental utility in optogenetics; for example, neurons expressing ChRs can be optically controlled with high temporal precision within systems as complex as freely moving mammals. Although ChRs have been broadly applied to neuroscience research, little is known about the molecular mechanisms by which these unusual and powerful proteins operate. Here we present the crystal structure of a ChR (a C1C2 chimaera between ChR1 and ChR2 from Chlamydomonas reinhardtii) at 2.3 Å resolution. The structure reveals the essential molecular architecture of ChRs, including the retinal-binding pocket and cation conduction pathway. This integration of structural and electrophysiological analyses provides insight into the molecular basis for the remarkable function of ChRs, and paves the way for the precise and principled design of ChR variants with novel properties.

The introduction of two microbial opsin–based tools, channelrhodopsin-2 (ChR2) and halorhodopsin (NpHR), to neuroscience has generated interest in fast, multimodal, cell type–specific neural circuit control. Here we describe a cation-conducting channelrhodopsin (VChR1) from Volvox carteri that can drive spiking at 589 nm, with excitation maximum red-shifted ∼70 nm compared with ChR2. These results demonstrate fast photostimulation with yellow light, thereby defining a functionally distinct third category of microbial rhodopsin proteins.