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光遺傳學系統能夠實現在同一細胞上既表達激活神經元的光敏感蛋白，也表達抑制神經元的光敏感蛋白。倘若對某一目標細胞群體而言，激活時能實現某一功能，而抑制時這一功能不再出現，則意味著，這一目標細胞群體與研究的神經系統功能之間存在著直接的因果關系。
高空間精度-細胞類型特異性：
光遺傳學手段在技術上，可以實現對特異目標細胞的針對性激活/抑制。這種準確操縱建立在光敏感蛋白在目標神經元群體上的特異性表達的基礎上。
比如一些研究使用DIO(’double-floxed’inverted open reading frame)病毒載體實現Cre-loxP在目標細胞群體上的的高特異性和表達度。Cre(CreRecombinase enzyme)是一種在產業上已經實現在所需神經元群體上特異性表達的重組酶。Cre可以識別兩個反向的LoxP序列，將其中的逆向目標導入序列顛倒，成為正常表達的序列，在目標細胞中表達。因此，只有具有Cre重組酶的細胞才可以將經由病毒導入的序列表達出來，而現有的基因工程技術已經實現，在鼠內，Cre重組酶在所需的目標細胞種類中特異性表達。
高時間準確度：
對于腦的神經過程而言，許多過程以毫秒為單位。而光遺傳學的光照刺激在時間精度上，可以實現毫秒級的準確調控。另外，在突觸上的離子傳感器具有較高的毫秒級時間精度，能以較高的精度反映出突觸電位的變化。鈣離子傳感器(如Aequorin、Cameleon與GCaMP)、氯離子傳感器(Clomeleon)或者膜電壓傳感器(Mermaid)具有較高的時間精度，已被研究者證實可實現活體單放電行波敏感度(single-spikesensitivity)(H?usser,2014)。
其他的應用前景：
對于不在表面的深部腦區，為了傳送光照刺激，光遺傳學手段往往會對研究對象造成一定的損傷，在一定程度上有侵入性(invasive)。因此有研究者將視角投向受聲音激活的通道蛋白，即聲遺傳學(sonogenetics)。Ibsen等人(2015)以低壓力的超聲波為非侵入性手段，激活了對于超聲波特異性敏感的線蟲神經元。另外，也有研究者提出了磁遺傳學(magnetogenetics)的概念，探索和開發具有非侵入性特性的磁敏感蛋白，使其激活或抑制神經元(Leibiger & Berggren，2015)。
另外，在現階段，將光遺傳學手段直接應用于人有諸多技術和倫理限制。因此有研究者將視野投向腦機口。Folcher等人(2015)的研究中，人腦的狀態被EEG記錄并解析，通過無線裝置，轉換成光信號，成功地控制了被導入光敏感通道蛋白的鼠的神經。這一技術在生物反饋治療患者的精神疾患上有較大前景。在不久的將來，患者的心理狀態可能將被反映在腦補植入物的物質分泌量上，從而實現精神疾病的準確給藥。
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