光遺傳/化學遺傳工具

光遺傳學（optogenetics）是一門結合了光學（optics）及遺傳學（genetics）的跨學科技藝，其最大的特點是能在活體動物甚至是自由運動的動物腦內，實時精準地控製特定類型神經元的活動。光遺傳學在時間上的精確度可達到毫秒級別，在空間上的精確度則能達到單個細胞級別。2010年，光遺傳學被Nature Methods選為年度方法，同年被Science認為是近十年來的突破之一。這項技藝目前在神經科學範圍應用非常廣泛，未來可能會應用於多種神經和精神疾病的治療，如帕金森氏病、阿爾茨海默病、脊髓損傷、精神分裂癥等。

化學遺傳學：通過人工改造大分子（蛋白、核酸等）的結構，使之能特異性的對某種合成的小分子化合物形成應答。化學遺傳學和光遺傳學類似，具有實時、精確、可逆調控的特點，目前廣泛應用於信號轉導研究、藥物篩選等方面。目前應用最廣泛的是一種稱為DREADDs （designer receptors exclusively activated by designer drugs，只由特定藥物激活的受體）的化學遺傳學系統。這一系統主要由叠氮平-N-氧化物（clozapine-N-oxide，CNO）結合GPCR級聯反應中不同的效應蛋白，如Gq、Gi、Gs、Golf和其中應用最廣泛的是Gq-DREADD和Gi-DREADD。

目前Gq-DREADD系統應用最多元件主要是hM3Dq蛋白，該蛋白改造自人毒蕈堿型乙酰膽堿受體（the human muscarinicacetylcholine receptor，mAchRs）亞型M3（也稱為hM3）。改造後的蛋白能特異性結合CNO，然後和Gq類G蛋白耦合受體耦合， 引起GPCR級聯反應，最終影響了胞內鈣離子這一信號通路。在神經元內一半會引起細胞去極化，加強神經元的興奮性，這也是hM3Dq最常用的性能，即促使神經元的放電活動。同樣的，研究者改造了mAchRs亞型M4，形成Gi-hM4Di。因為Gi耦合的GPCRs可以激活G蛋白內向整流鉀通道（內向整流鉀離子通道，GIRK），所以hM4Di起到抑製神經元的作用。