光遗传学通过将光敏蛋白导入目标细胞，在特定光照下精确调控膜电位，实现对单个细胞或神经环路的毫秒级操控，是解析神经环路功能、疾病机制及药物作用的核心工具。典型应用包括神经科学中解析神经环路与行为的关系、癫痫和帕金森病等神经疾病机制研究，以及心脏电生理和心律失常建模分析，同时广泛应用于药物研发与靶点验证。

光遗传学实验通常结合宽场荧光显微、双光子显微或光纤光学刺激平台，要求在空间上精准定位细胞或神经环路，在时间上动态记录快速电活动，对成像系统提出了极高的时空分辨率要求。