"細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む動物細胞であって、前記タンパク質は、青色光に応答し、ギャラルディアシータGuillardiatheta由来であり、前記タンパク質は、前記細胞が光により照射されるとき、前記細胞中で過分極電流を媒介することができる、動物細胞。前記タンパク質は、配列番号1に示される配列と少なくとも95同一であるコアアミノ酸配列を含む、請求項1に記載の動物細胞。前記タンパク質は、前記コアアミノ酸配列と、前記コアアミノ酸配列のC末端において小胞体ER移行シグナルと、を含む、請求項2に記載の動物細胞。前記コアアミノ酸配列は、リンカーを介して前記ER移行シグナルに連結される、請求項3に記載の動物細胞。前記ER移行シグナルは、アミノ酸配列FCEYENEVを含む、請求項3に記載の動物細胞。前記タンパク質は、配列番号5に示されるアミノ酸配列を含む、請求項3に記載の動物細胞。前記動物細胞は、神経細胞、筋細胞、または幹細胞である、請求項1に記載の動物細胞。前記細胞膜上に発現される第2の光活性化タンパク質をさらに含む、請求項1に記載の動物細胞。前記第2の光活性化タンパク質は、前記細胞が光で照射されるとき、前記細胞中で脱分極電流を媒介することができるタンパク質である、請求項8に記載の動物細胞。前記第2の光活性化タンパク質は、VChR1、DChR、SFO、およびChR2からなる群から選択される、請求項9に記載の動物細胞。請求項1~10のいずれか1項に記載の細胞を含む、細胞集団。配列番号1に示される配列と少なくとも95同一であるコアアミノ酸配列を含む光活性化タンパク質をコードするヌクレオチド配列を含む、単離ポリヌクレオチド。配列番号1に示される配列と少なくとも95同一であるコアアミノ酸配列を含む光活性化タンパク質をコードするヌクレオチド配列を含む、発現ベクター。前記発現ベクターは、ウイルスベクターである、請求項13に記載の発現ベクター。前記ウイルスベクターは、AAVベクター、レトロウイルスベクター、アデノウイルスベクター、HSVベクター、またはレンチウイルスベクターである、請求項14に記載の発現ベクター。光により光活性化タンパク質を活性化することを含む、請求項1~7のいずれか1項に記載の細胞の使用方法。前記光活性化タンパク質をそれらのそれぞれの波長で活性化することを含む、請求項8~10のいずれか1項に記載の細胞の使用方法。請求項1~10のいずれか1項に記載の細胞を含む、非ヒト動物。細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む動物細胞であって、前記タンパク質は、青色光に応答し、デュナリエラサリナDunaliellasalina由来であり、前記タンパク質は、前記細胞が光により照射されるとき、前記細胞中で脱分極電流を媒介することができる、動物細胞。前記タンパク質は、配列番号2の残基25~365に示される配列と少なくとも95同一であるコアアミノ酸配列を含む、請求項19に記載の動物細胞。前記タンパク質は、前記コアアミノ酸配列と、前記コアアミノ酸配列のC末端において小胞体ER移行シグナルと、を含む、請求項20に記載の動物細胞。前記コアアミノ酸配列は、リンカーを介して前記ER移行シグナルに連結される、請求項21に記載の動物細胞。前記ER移行シグナルは、アミノ酸配列FCEYENEVを含む、請求項22に記載の動物細胞。前記動物細胞は、神経細胞、筋細胞、または幹細胞である、請求項19に記載の動物細胞。前記細胞膜上に発現される第2の光活性化タンパク質をさらに含む、請求項19に記載の動物細胞。前記第2の光活性化タンパク質は、前記細胞が光で照射されるとき、前記細胞中で過分極電流を媒介することができる、請求項25に記載の動物細胞。前記第2の光活性化タンパク質は、NpHR、BR、AR、およびGtR3からなる群から選択される、請求項25に記載の動物細胞。請求項19~27のいずれか1項に記載の細胞を含む、細胞集団。配列番号2の残基25~365に示される配列と少なくとも95同一であるコアアミノ酸配列を含む光活性化タンパク質をコードするヌクレオチド配列を含む、単離ポリヌクレオチド。配列番号2の残基25~365に示される配列と少なくとも95同一であるコアアミノ酸配列を含む光活性化タンパク質をコードするヌクレオチド配列を含む、発現ベクター。前記発現ベクターは、ウイルスベクターである、請求項29に記載の発現ベクター。前記ウイルスベクターは、AAVベクター、レトロウイルスベクター、アデノウイルスベクター、HSVベクター、またはレンチウイルスベクターである、請求項30に記載の発現ベクター。光により光活性化タンパク質を活性化することを含む、請求項19~24のいずれか1項に記載の細胞の使用方法。前記光活性化タンパク質をそれらのそれぞれの波長で活性化することを含む、請求項24~27のいずれか1項に記載の細胞の使用方法。請求項19~27のいずれか1項に記載の細胞を含む、非ヒト動物。細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む動物細胞であって、前記タンパク質は、配列番号3に示される配列と少なくとも95同一であるコアアミノ酸配列と、ER移行シグナルと、膜輸送シグナルと、を含む、動物細胞。前記光活性化タンパク質は、N末端からC末端にかけて、前記コアアミノ酸配列、前記ER移行シグナル、および前記膜輸送シグナルを含む、請求項36に記載の動物細胞。前記光活性化タンパク質は、N末端からC末端にかけて、前記コアアミノ酸配列、前記膜輸送シグナル、および前記ER移行シグナルを含む、請求項36に記載の動物細胞。前記ER移行シグナルは、アミノ酸配列FCEYENEVを含む、請求項36に記載の動物細胞。前記膜輸送シグナルは、アミノ酸配列KSRITSEGEYIPLDQIDINVを含む、請求項36に記載の動物細胞。前記動物細胞は、神経細胞、筋細胞、または幹細胞である、請求項36に記載の動物細胞。前記細胞膜上に発現される第2の光活性化タンパク質をさらに含む、請求項36に記載の動物細胞。前記第2の光活性化タンパク質は、前記細胞が光で照射されるとき、前記細胞中で脱分極電流を媒介することができるタンパク質である、請求項42に記載の動物細胞。前記第2の光活性化タンパク質は、VChR1、DChR、SFO、およびChR2からなる群から選択される、請求項42に記載の動物細胞。請求項36~44のいずれか1項に記載の細胞を含む、細胞集団。配列番号3に示される配列と少なくとも95同一であるコアアミノ酸配列と、ER移行シグナルと、膜輸送シグナルと、を含む光活性化タンパク質をコードするヌクレオチド配列を含む、請求項36~44のいずれか1項に記載の細胞、または請求項45に記載の細胞集団を調製する際に用いる、ポリヌクレオチド。前記ポリヌクレオチドは、発現ベクター中にある、請求項46に記載のポリヌクレオチド。前記発現ベクターは、ウイルスベクターである、請求項47に記載のポリヌクレオチド。前記ウイルスベクターは、AAVベクター、レトロウイルスベクター、アデノウイルスベクター、HSVベクター、またはレンチウイルスベクターである、請求項48に記載のポリヌクレオチド。約580~約630nmの波長を有する光により前記光活性化タンパク質を活性化することを含む、請求項36~41のいずれか1項に記載の細胞の使用方法。前記光活性化タンパク質をそれらのそれぞれの波長で活性化することを含む、請求項42~44のいずれか1項に記載の細胞の使用方法。請求項36~44のいずれか1項に記載の細胞を含む、非ヒト動物。細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む動物細胞であって、前記タンパク質は、配列番号4に示される配列と少なくとも95同一であるコアアミノ酸配列と、ER移行シグナルと、膜輸送シグナルと、を含む、動物細胞。前記光活性化タンパク質は、N末端からC末端にかけて、前記コアアミノ酸配列、前記ER移行シグナル、および前記膜輸送シグナルを含む、請求項53に記載の動物細胞。前記光活性化タンパク質は、N末端からC末端にかけて、前記コアアミノ酸配列、前記膜輸送シグナル、および前記ER移行シグナルを含む、請求項53に記載の動物細胞。前記ER移行シグナルは、アミノ酸配列FCEYENEVを含む、請求項53に記載の動物細胞。前記膜輸送シグナルは、アミノ酸配列KSRITSEGEYIPLDQIDINVを含む、請求項53に記載の動物細胞。前記動物細胞は、神経細胞、筋細胞、または幹細胞である、請求項53に記載の動物細胞。前記細胞膜上に発現される第2の光活性化タンパク質をさらに含む、請求項53に記載の動物細胞。前記第2の光活性化タンパク質は、前記細胞が光で照射されるとき、前記細胞中で脱分極電流を媒介することができるタンパク質である、請求項59に記載の動物細胞。前記第2の光活性化タンパク質は、VChR1、DChR、SFO、およびChR2からなる群から選択される、請求項59に記載の動物細胞。請求項53~61のいずれか1項に記載の細胞を含む、細胞集団。配列番号4に示される配列と少なくとも95同一であるコアアミノ酸配列と、ER移行シグナルと、膜輸送シグナルと、を含む光活性化タンパク質をコードするヌクレオチド配列を含む、請求項53~61のいずれか1項に記載の細胞、または請求項62に記載の細胞集団を調製する際に用いる、ポリヌクレオチド。前記ポリヌクレオチドは、発現ベクター中にある、請求項63に記載のポリヌクレオチド。前記発現ベクターは、ウイルスベクターである、請求項64に記載のポリヌクレオチド。前記ウイルスベクターは、AAVベクター、レトロウイルスベクター、アデノウイルスベクター、HSVベクター、またはレンチウイルスベクターである、請求項65に記載のポリヌクレオチド。光により前記光活性化タンパク質を活性化することを含む、請求項53~58のいずれか1項に記載の細胞の使用方法。前記光活性化タンパク質をそれらのそれぞれの波長で活性化することを含む、請求項59~61のいずれか1項に記載の細胞の使用方法。請求項59~61のいずれか1項に記載の細胞を含む、非ヒト動物。動物または組織中の神経細胞間の経シナプス結合を特定する方法であって、a前記動物または組織の領域A内の神経細胞に、細胞間トレーサータンパク質に融合されたCreリコンビナーゼをコードする第1のウイルスベクターを投与することと、b前記動物または組織の領域B内の神経細胞に、光活性化タンパク質をコードする第2のウイルスベクターを投与することであって、前記光活性化タンパク質の発現は、前記Creリコンビナーゼの存在に依存する、第2のウイルスベクターを投与することと、c領域B内で前記光活性化タンパク質を発現する神経細胞を特定することであって、前記神経細胞中での光活性化タンパク質の発現は、これらの細胞が領域A内の細胞と経シナプス結合していることを示す、神経細胞を特定することと、を含む、方法。動物または組織中の標的とされた神経細胞の光学制御の生成方法であって、a前記動物または組織の領域Aに、細胞間トレーサータンパク質に融合されたCreリコンビナーゼを発現する第1のウイルスベクターを投与することと、b前記動物または組織の領域Bに、光活性化タンパク質をコードする第2のウイルスベクターを投与することであって、前記光活性化タンパク質の発現は、前記Creリコンビナーゼの存在に依存し、領域Aおよび領域B内の神経細胞が、経シナプス結合している、第2のウイルスベクターを投与することと、c前記タンパク質を活性化する光により領域B内の神経細胞の活動電位を制御することと、を含む、方法。動物におけるニューロンの活動電位の制御方法であって、光により前記ニューロン内の光活性化タンパク質を活性化して、活動電位の変化を生じさせることを含み、前記ニューロン内の前記光活性化タンパク質の発現は、a前記動物の領域Aに、細胞間トレーサータンパク質に融合されたCreリコンビナーゼを発現する第1のウイルスベクターを投与することと、b前記ニューロンを含む前記動物の領域Bに、光活性化タンパク質をコードする第2のウイルスベクターを投与することであって、前記光活性化タンパク質の発現は、前記Creリコンビナーゼの存在に依存し、領域Aおよび領域B内の前記ニューロンは、経シナプス結合している、第2のウイルスベクターを投与することと、により生成される、方法。前記ウイルスベクターは、AAV、HSV、およびレンチウイルスからなる群から選択されるウイルスベクターである、請求項70~72のいずれか1項に記載の方法。前記細胞間トレーサータンパク質は、コムギ胚芽凝集素WGAまたは破傷風毒素断片CTTCである、請求項70~72のいずれか1項に記載の方法。青色光に応答してプロトンポンプを発現する統合された外因性分子を含み、前記外因性分子は、ギャラルディアシータGuillardiatheta由来である、動物細胞。前記動物細胞は、神経細胞、筋細胞、または細胞株である、請求項75に記載の動物細胞。前記外因性分子は、表3中に示されるGtR3アミノ酸配列を含む、請求項75に記載の動物細胞。本発明は、種々の光感受性生体分子構造の実用的なの適用を促進するために有用であると考えられ、また、本発明は、特に、細胞膜の電圧制御および刺激を扱う設定および方法における使用に適しているということが分かった。本発明は、必ずしもこのような応用に限定されるわけではないが、本発明の様々な態様が、この背景を用いた種々の例に関する考察を通して理解され得るものである。本明細書で使用される場合、標的細胞の刺激は、概して、細胞の特性の改変を説明するために使用される。例えば、標的細胞の刺激は、標的細胞の脱分極または偏光を引き起こす可能性がある細胞膜の特性の変化をもたらし得る。特定の一例では、標的細胞は、ニューロンであり、この刺激は、ニューロンによるインパルスの発生を促進または抑制することにより、インパルスの伝達に影響を及ぼす。本発明の一つの例示的実施形態と一致して、光応答性タンパク質が、細胞中で作り出される。このタンパク質は、光に応答して、細胞膜を横断するイオン陰イオン、陽イオン、またはプロトンの流れに影響を及ぼす。このイオンの流れの変化は、例えば、細胞膜を横断する電圧および電流の流れを含む、細胞の電気的性質の対応する変化を引き起こす。一例では、このタンパク質は、内因性の共同因子を用いて、インビボで機能して、細胞膜を横断するイオンの流れを修正する。別の例では、このタンパク質は、細胞中の活動電位発火actionpotentialfiringを制止するまたは促すように、細胞膜を横断する電圧を変化させる。さらに別の例では、このタンパク質は、光が導入される数ミリ秒以内に、その細胞の電気的性質を変化させることが可能である。抑制性タンパク質は、細胞の電位を、その細胞の活動電位の引き金となるレベルactionpotentialtriggerlevelから遠ざけることにより、活動電位の発火を制止する。多くのニューロンにおいて、これは、当該タンパク質により、その細胞膜にわたって見られる負電圧が増加するということを意味する。特定の一例では、このタンパク質は、その細胞から外へプロトンを能動的に移動させるプロトンポンプとして作用する。このようにして、このタンパク質は、細胞膜を横断する抑制性電流を発生させる。より具体的には、このタンパク質は、その細胞にかかる電圧を低下させ、それにより、活動電位または脱分極が生じる可能性を減少させることにより、光に応答する。本発明のある態様は、プロトンポンプとしての機能を果たす分子/タンパク質の特定および開発に基づいている。このプロトンポンプは、クリプト植物のギャラルディアシータG.theta由来であり、標的細胞中での発現のために開発されている。ある種のより特定の実施形態において、この細胞は、ニューロンである。改変タンパク質、GtR3は、抑制性電流を生じて、細胞の脱分極を制止することにより、青色光に応答する。神経細胞中に発現したとき、プロトンポンプGtR3を用いて、青色光刺激に応答して、神経活動を抑制することができる。GtR3ポンプは、神経細胞膜を横断する抑制性電流を生じることにより、光学的な刺激に応答する。修飾細胞が青色光に曝露される間、この電流は、活動電位を抑制する。本開示はまた、哺乳動物細胞の原形質膜への移動を促進する1つ以上のアミノ酸配列モチーフの付加により、細胞中で発現した光活性化タンパク質の修飾も提供する。進化的に、より単純な生物に由来する光活性化タンパク質は、哺乳動物細胞により発現もしくは許容され得ないか、または哺乳動物細胞において高いレベルで発現されるとき、細胞内局在性の低下を示し得る。したがって、いくつかの実施形態において、細胞上に発現される光活性化タンパク質は、シグナルペプチド、小胞体ER移行シグナル、膜輸送シグナル、およびN末端ゴルジ移行シグナルからなる群から選択される1つ以上のアミノ酸配列モチーフに融合される。哺乳動物細胞の原形質膜への光活性化タンパク質の移動を促進する1つ以上のアミノ酸配列モチーフは、光活性化タンパク質の、N末端、C末端、またはN末端およびC末端の終端の両方に融合され得る。任意に、光活性化タンパク質および1つ以上のアミノ酸配列モチーフは、リンカーにより分離されてもよい。細胞の原形質膜への光活性化タンパク質の移動を促進することができるさらなるタンパク質モチーフは、米国特許出願第12/041,628号に記載されており、これは、その全体が本明細書に組み込まれる。本開示は、さらに、天然光活性化タンパク質例えば、限定されないが、天然GtR3、NpHR、DChR、およびBR等のアミノ酸配列におけるアミノ酸置換、欠失、および挿入を含む光活性化タンパク質を提供する。光活性化タンパク質は、1つ以上のアミノ酸残基が、アミノ酸置換を行う一方、光に対して応答する能力および原形質膜の偏光状態を制御する能力を保有するものを含む。例えば、光活性化タンパク質は、このタンパク質の天然または野生型アミノ酸配列に、1つ以上のアミノ酸を置換することにより作製することができる。いくつかの実施形態において、本発明は、天然アミノ酸配列と比較して、改変アミノ酸配列を含むタンパク質を含み、この改変光活性化タンパク質は、特有の光活性化の性質および/または前駆タンパク質の原形質膜を横断するイオンの流れを調節する能力を保有するが、いくつかの具体的な態様において、改変した性質例えば、天然タンパク質と比較して、光に対する感受性の増加もしくは減少、光の特定の波長に対する感受性の増加もしくは減少、および/または哺乳動物細胞の原形質膜の偏光状態を調節する能力の増加もしくは減少を有してもよい。天然タンパク質配列におけるアミノ酸置換は、保存的であっても、保存的でなくてもよく、このような置換アミノ酸残基は、遺伝子コードによりコードされるものであっても、コードされないものであってもよい。標準的な20種類のアミノ酸アルファベットは、それらの側鎖の化学的性質に基づいて化学的ファミリーに分類される。これらのファミリーは、塩基性側鎖例えば、リシン、アルギニン、ヒスチジン、酸性側鎖例えば、アスパラギン酸、グルタミン酸、非荷電極性側鎖例えば、グリシン、アスパラギン、グルタミン、セリン、トレオニン、チロシン、システイン、非極性側鎖例えば、アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、プロリン、フェニルアラニン、メチオニン、トリプトファン、ベータ分岐側鎖例えば、トレオニン、バリン、イソロイシン、および芳香族を有する側鎖例えば、チロシン、フェニルアラニン、トリプトファン、ヒスチジンを有するアミノ酸を含む。保存的アミノ酸置換は、アミノ酸残基を、化学的に類似の側鎖を有するアミノ酸残基で置換するものであるすなわち、塩基性側鎖を保有するアミノ酸を、塩基性側鎖を有する別のアミノ酸で置換する。非保存的アミノ酸置換は、アミノ酸残基を、化学的に異なる側鎖を有するアミノ酸残基で置換するものであるすなわち、塩基性側鎖を有するアミノ酸を、芳香族側鎖を有するアミノ酸で置換する。本発明のある態様は、GtR3分子を発現する動物細胞を対象とするものである。このように、動物細胞は、青色光に応答するプロトンポンプを発現する統合された外因性分子を含む。ある非限定の実施形態において、動物細胞は、神経細胞、筋細胞、桿体細胞もしくは錐体細胞、または細胞株であり得る。いくつかの実施形態において、動物細胞は、哺乳動物細胞である。本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む、動物細胞であり、該タンパク質は、青色光に応答し、ギャラルディアシータGuillardiatheta由来であり、該タンパク質は、細胞が光により照射されるとき、該細胞中の過分極電流を媒介することが可能である。いくつかの実施形態において、光は、約450~495nmの波長を有する。いくつかの実施形態において、光は、約490nmの波長を有する。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、配列番号1に示される配列と少なくとも95同一であるアミノ酸配列を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、配列番号1に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるアミノ酸配列を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、細胞の原形質膜の偏光状態を調節するために、光に対する感受性を増加もしくは減少させる、光の特定の波長に対する感受性を増加もしくは減少させる、および/または光活性化タンパク質の能力を増加もしくは減少させるような、天然アミノ酸配列に導入された置換、欠失、および/もしくは挿入を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、1つ以上の保存的アミノ酸置換を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、1つ以上の非保存的アミノ酸置換を含む。天然アミノ酸配列に導入される置換、欠失、および/もしくは挿入を含む光活性化タンパク質は、適切に、光に応答して神経細胞の原形質膜を過分極化する能力を保持する。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む動物細胞であり、このタンパク質は、配列番号1に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、小胞体ER移行シグナルと、を含む。ER移行シグナルは、コアアミノ酸配列のC末端に融合されても、コアアミノ酸配列のN末端に融合されてもよい。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、リンカーによりコアアミノ酸配列に連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75,100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、アミノ酸配列FXYENEを含み、ここで、Xは、任意のアミノ酸であり得る。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、アミノ酸配列VXXSLを含み、ここで、Xは、任意のアミノ酸であり得る。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、アミノ酸配列FCYENEVを含む。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む動物細胞であり、このタンパク質は、配列番号1に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、シグナルペプチド例えば、原形質膜への移動を促進すると、を含む。シグナルペプチドは、コアアミノ酸配列のC末端に融合されても、コアアミノ酸配列のN末端に融合されてもよい。いくつかの実施形態において、シグナルペプチドは、リンカーによりコアアミノ酸配列に連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75、100、125,150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、シグナルペプチドは、アミノ酸配列MDYGGALSAVGRELLFVTNPVVVNGSVLVPEDQCYCAGWIESRGTNGを含む。いくつかの実施形態において、他のシグナルペプチド他のオプシンからのシグナルペプチド等を用いてもよい。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む、動物細胞であり、該タンパク質は、配列番号1に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、膜輸送シグナル例えば、原形質膜への移動を促進すると、を含む。シグナルペプチドは、コアアミノ酸配列のC末端に融合されても、コアアミノ酸配列のN末端に融合されてもよい。いくつかの実施形態において、シグナルペプチドは、リンカーによりコアアミノ酸配列に連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、膜輸送シグナルは、ヒト内向き整流カリウムチャネルKir2.1のアミノ酸配列に由来する。いくつかの実施形態において、膜輸送シグナルは、アミノ酸配列KSRITSEGEYIPLDQIDINVを含む。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む、動物細胞であり、このタンパク質は、配列番号1に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、シグナルペプチドと、ER移行シグナルと、膜輸送シグナルと、からなる群から選択される哺乳動物細胞の原形質膜への移動を促進する2つ以上のアミノ酸配列モチーフと、を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、N末端シグナルペプチドおよびC末端ER移行シグナルを含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、N末端シグナルペプチドおよびC末端膜輸送シグナルを含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、N末端シグナルペプチド、C末端ER移行シグナル、およびC末端膜輸送シグナルを含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、C末端ER移行シグナルおよびC末端膜輸送シグナルを含む。いくつかの実施形態において、C末端ER移行シグナルおよびC末端膜輸送シグナルは、リンカーにより連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75,100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、膜輸送シグナルよりもさらにC末端に位置する。いくつかの実施形態において、膜輸送シグナルは、ER移行シグナルよりもさらにC末端に位置する。また、本明細書に提供されるのは、本明細書に記載のタンパク質のうちのいずれかをコードする、単離ポリヌクレオチドであり、例えば、配列番号1に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列を含む光活性化タンパク質等である。また、本明細書に提供されるのは、本明細書に記載のタンパク質のうちのいずれかをコードするポリヌクレオチドを含む、発現ベクター本明細書に記載のウイルスベクター等であり、例えば、配列番号1に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列を含む光活性化タンパク質等である。このポリヌクレオチドは、動物細胞中で光活性化タンパク質の発現のために使用してもよい。本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む、動物細胞であり、該タンパク質は、青色光青色光に応答し、デュナリエラサリナDunaliellasalina由来であり、該タンパク質は、細胞が光により照射されるとき、該細胞中の脱分極電流を媒介することできる。いくつかの実施形態において、光は、約450~495nmの波長を有する。いくつかの実施形態において、光は、約490nmの波長を有する。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、配列番号2の残基25~365、24~365、23~365、22~365、21~365、20~365、19~365、18~365、17~365、16~365、15~365、14~365、13~365、13~365,12~365、11~365、10~365、9~365、8~365、7~365、6~365、5~365、4~365、3~365、2~365、または1~365に示される配列と少なくとも95同一であるアミノ酸配列を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、配列番号2の残基25~365、24~365、23~365、22~365、21~365、20~365、19~365、18~365、17~365、16~365、15~365、14~365、13~365、13~365、12~365、11~365、10~365、9~365、8~365、7~365、6~365、5~365、4~365、3~365、2~365、または1~365に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるアミノ酸配列を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、細胞の原形質膜の偏光状態を調節するために、光に対する感受性を増加もしくは減少させる、光の特定の波長に対する感受性を増加もしくは減少させる、および/または光活性化タンパク質の能力を増加もしくは減少させるような、天然アミノ酸配列に導入された置換、欠失、および/もしくは挿入を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、1つ以上の保存的アミノ酸置換を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、1つ以上の非保存的アミノ酸置換を含む。天然アミノ酸配列に導入される置換、欠失、および/もしくは挿入を含む光活性化タンパク質は、適切に、光に応答して神経細胞の原形質膜を脱分極する能力を保持する。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む、動物細胞であり、該タンパク質は、配列番号2の残基25~365、24~365、23~365、22~365、21~365、20~365、19~365、18~365、17~365、16~365、15~365、14~365、13~365、13~365、12~365、11~365、10~365、9~365、8~365、7~365、6~365、5~365、4~365、3~365、2~365、または1~365に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、小胞体ER移行シグナルと、を含む。ER移行シグナルは、コアアミノ酸配列のC末端に融合されても、コアアミノ酸配列のN末端に融合されてもよい。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、リンカーによりコアアミノ酸配列に連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、アミノ酸配列FXYENEを含み、ここで、Xは、任意のアミノ酸であり得る。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、アミノ酸配列VXXSLを含み、ここで、Xは、任意のアミノ酸であり得る。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、アミノ酸配列FCYENEVを含む。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む、動物細胞であり、該タンパク質は、配列番号2の残基25~365、24~365、23~365、22~365、21~365、20~365、19~365、18~365、17~365、16~365、15~365、14~365、13~365、13~365、12~365、11~365、10~365、9~365、8~365、7~365、6~365、5~365、4~365、3~365、2~365、または1~365に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、シグナルペプチド例えば、原形質膜への移動を促進すると、を含む。シグナルペプチドは、コアアミノ酸配列のC末端に融合されても、コアアミノ酸配列のN末端に融合されてもよい。いくつかの実施形態において、シグナルペプチドは、リンカーによりコアアミノ酸配列に連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75、100、125,150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、シグナルペプチドは、アミノ酸配列MDYGGALSAVGRELLFVTNPVVVNGSVLVPEDQCYCAGWIESRGTNGを含む。いくつかの実施形態において、他のシグナルペプチド他のオプシンからのシグナルペプチド等を用いてもよい。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む動物細胞であり、該タンパク質は、配列番号2の残基25~365、24~365、23~365、22~365、21~365、20~365、19~365、18~365、17~365、16~365、15~365、14~365、13~365、13~365、12~365、11~365、10~365、9~365、8~365、7~365、6~365、5~365、4~365、3~365、2~365、または1~365に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、膜輸送シグナル例えば、原形質膜への移動を促進すると、を含む。シグナルペプチドは、コアアミノ酸配列のC末端に融合されても、コアアミノ酸配列のN末端に融合されてもよい。いくつかの実施形態において、シグナルペプチドは、リンカーによりコアアミノ酸配列に連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75、100、125,150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、膜輸送シグナルは、ヒト内向き整流カリウムチャネルKir2.1のアミノ酸配列に由来する。いくつかの実施形態において、膜輸送シグナルは、アミノ酸配列KSRITSEGEYIPLDQIDINVを含む。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む動物細胞であり、該タンパク質は、配列番号2の残基25~365、24~365、23~365、22~365、21~365、20~365、19~365、18~365、17~365、16~365、15~365、14~365、13~365、13~365、12~365、11~365、10~365、9~365、8~365、7~365、6~365、5~365、4~365、3~365、2~365、または1~365に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、シグナルペプチドと、ER移行シグナルと、膜輸送シグナルと、からなる群から選択される哺乳動物細胞の原形質膜への移動を促進する2つ以上のアミノ酸配列モチーフと、を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、N末端シグナルペプチドおよびC末端ER移行シグナルを含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、N末端シグナルペプチドおよびC末端膜輸送シグナルを含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、N末端シグナルペプチド、C末端ER移行シグナル、およびC末端膜輸送シグナルを含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、C末端ER移行シグナルおよびC末端膜輸送シグナルを含む。いくつかの実施形態において、C末端ER移行シグナルおよびC末端膜輸送シグナルは、リンカーにより連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、膜輸送シグナルよりもさらにC末端に位置する。いくつかの実施形態において、膜輸送シグナルは、ER移行シグナルよりもさらにC末端に位置する。また、本明細書に提供されるのは、本明細書に記載のタンパク質のうちのいずれかをコードする、単離ポリヌクレオチドであり、例えば、配列番号2の残基25~365、24~365、23~365、22~365、21~365、20~365、19~365、18~365、17~365、16~365、15~365、14~365、13~365、13~365、12~365、11~365、10~365、9~365、8~365、7~365、6~365、5~365、4~365、3~365、2~365、または1~365に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列を含む光活性化タンパク質等である。また、本明細書に提供されるのは、本明細書に記載のタンパク質のうちのいずれかをコードするポリヌクレオチドを含む、発現ベクター本明細書に記載のウイルスベクター等であり、例えば、配列番号2の残基25~365、24~365、23~365、22~365、21~365、20~365、19~365、18~365、17~365、16~365、15~365、14~365、13~365、13~365、12~365、11~365、10~365、9~365、8~365、7~365、6~365、5~365、4~365、3~365、2~365、または1~365に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列を含む光活性化タンパク質等である。このポリヌクレオチドは、動物細胞中で光活性化タンパク質の発現のために使用してもよい。本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む、動物細胞であって、該タンパク質は、琥珀色および赤色光に応答し、ナトロノモナスパラオニスNatronomonaspharaonis由来であり、該タンパク質は、細胞が光により照射されるとき、該細胞中の過分極電流を媒介することが可能である。いくつかの実施形態において、光は、約580~630nmの波長を有する。いくつかの実施形態において、光は、約589nmの波長を有する。いくつかの実施形態において、光は、約630nmを超える波長例えば、740nm未満を有する。いくつかの実施形態において、光は、約630nmの波長を有する。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、配列番号3に示される配列と少なくとも95同一であるアミノ酸配列を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、配列番号3に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるアミノ酸配列を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、細胞の原形質膜の偏光状態を調節するために、光に対する感受性を増加もしくは減少させる、光の特定の波長に対する感受性を増加もしくは減少させる、および/または光活性化タンパク質の能力を増加もしくは減少させるような、天然アミノ酸配列に導入された置換、欠失、および/もしくは挿入を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、1つ以上の保存的アミノ酸置換を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、1つ以上の非保存的アミノ酸置換を含む。天然アミノ酸配列に導入される置換、欠失、および/もしくは挿入を含む光活性化タンパク質は、適切に、光に応答して神経細胞の原形質膜を過分極化する能力を保する。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む、動物細胞であり、このタンパク質は、配列番号3に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、小胞体ER移行シグナルと、を含む。ER移行シグナルは、コアアミノ酸配列のC末端に融合されても、コアアミノ酸配列のN末端に融合されてもよい。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、リンカーによりコアアミノ酸配列に連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、アミノ酸配列FXYENEを含み、ここで、Xは、任意のアミノ酸であり得る。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、アミノ酸配列VXXSLを含み、ここで、Xは、任意のアミノ酸であり得る。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、アミノ酸配列FCYENEVを含む。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む、動物細胞であり、このタンパク質は、配列番号3に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、膜輸送シグナル例えば、原形質膜への移動を促進すると、を含む。シグナルペプチドは、コアアミノ酸配列のC末端に融合されても、コアアミノ酸配列のN末端に融合されてもよい。いくつかの実施形態において、シグナルペプチドは、リンカーによりコアアミノ酸配列に連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、膜輸送シグナルは、ヒト内向き整流カリウムチャネルKir2.1のアミノ酸配列に由来する。いくつかの実施形態において、膜輸送シグナルは、アミノ酸配列KSRITSEGEYIPLDQIDINVを含む。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む、動物細胞であり、このタンパク質は、配列番号3に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、ER移行シグナルおよび膜輸送シグナルからなる群から選択される哺乳動物細胞の原形質膜への移動を促進する2つ以上のアミノ酸配列モチーフと、を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、C末端ER移行シグナルおよびC末端膜輸送シグナルを含む。いくつかの実施形態において、C末端ER移行シグナルおよびC末端膜輸送シグナルは、リンカーにより連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、膜輸送シグナルよりもさらにC末端に位置する。いくつかの実施形態において、膜輸送シグナルは、ER移行シグナルよりもさらにC末端に位置する。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む、動物細胞であり、該タンパク質は、配列番号3に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列を含み、配列番号3のN末端シグナルペプチドは、欠失または置換される。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、配列番号3の残基40~291、39~291、38~291、37~291、36~291、35~291、34~291、33~291、32~291、31~291、30~291、29~291、28~291、27~291、26~291、25~291、24~291、23~291、22~291、21~291、20~291、19~291、18~291、17~291、16~291、15~291、14~291,13~291、13~291、12~291、11~291、10~291、9~291、8~291、7~291、6~291、5~291、4~291、3~291、2~291、または1~291に示される配列と少なくとも95同一であるアミノ酸配列を含む。いくつかの実施形態において、他のシグナルペプチド他のオプシンからのシグナルペプチド等を用いてもよい。光活性化タンパク質は、本明細書に記載のER移動シグナルおよび膜輸送シグナルをさらに含んでもよい。また、本明細書に提供されるのは、本明細書に記載のタンパク質のうちのいずれかをコードするポリヌクレオチドであり、例えば、配列番号3に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、ER移行シグナルと、膜輸送シグナルと、を含む、光活性化タンパク質等である。このポリヌクレオチドは、発現ベクター本明細書に記載のウイルスベクター等中にあり得る。このポリヌクレオチドは、動物細胞中で光活性化タンパク質の発現のために使用してもよい。本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む動物細胞であり、このタンパク質は、緑色光に応答し、ハロバクテリウムサリナルムHalobacteriumsalinarum由来であり、このタンパク質は、細胞が光により照射されるとき、過分極電流を媒介することができる。いくつかの実施形態において、光は、約520~570nmの波長を有する。いくつかの実施形態において、光は、約560nmの波長を有する。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、配列番号4に示される配列と少なくとも95同一であるアミノ酸配列を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、配列番号4に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるアミノ酸配列を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、細胞の原形質膜の偏光状態を調節するために、光に対する感受性を増加もしくは減少させる、光の特定の波長に対する感受性を増加もしくは減少させる、および/または光活性化タンパク質の能力を増加もしくは減少させるような、天然アミノ酸配列に導入された置換、欠失、および/もしくは挿入を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、1つ以上の保存的アミノ酸置換を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、1つ以上の非保存的アミノ酸置換を含む。天然アミノ酸配列に導入される置換、欠失、および/もしくは挿入を含む光活性化タンパク質は、適切に、光に応答して神経細胞の原形質膜を過分極化する能力を保持する。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む動物細胞であり、このタンパク質は、配列番号4に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、小胞体ER移行シグナルと、を含む。ER移行シグナルは、コアアミノ酸配列のC末端に融合されても、コアアミノ酸配列のN末端に融合されてもよい。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、リンカーによりコアアミノ酸配列に連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、アミノ酸配列FXYENEを含み、ここで、Xは、任意のアミノ酸であり得る。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、アミノ酸配列VXXSLを含み、ここで、Xは、任意のアミノ酸であり得る。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、アミノ酸配列FCYENEVを含む。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む動物細胞であり、このタンパク質は、配列番号4に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、膜輸送シグナル例えば、原形質膜への移動を促進すると、を含む。シグナルペプチドは、コアアミノ酸配列のC末端に融合されても、コアアミノ酸配列のN末端に融合されてもよい。いくつかの実施形態において、シグナルペプチドは、リンカーによりコアアミノ酸配列に連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、膜輸送シグナルは、ヒト内向き整流カリウムチャネルKir2.1のアミノ酸配列に由来する。いくつかの実施形態において、膜輸送シグナルは、アミノ酸配列KSRITSEGEYIPLDQIDINVを含む。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む動物細胞であり、このタンパク質は、配列番号4に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、ER移行シグナルおよび膜輸送シグナルからなる群から選択される哺乳動物細胞の原形質膜への移動を促進する2つ以上のアミノ酸配列モチーフと、を含む。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、C末端ER移行シグナルおよびC末端膜輸送シグナルを含む。いくつかの実施形態において、C末端ER移行シグナルおよびC末端膜輸送シグナルは、リンカーにより連結される。このリンカーは、5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500アミノ酸長のうちのいずれかを含むことができる。このリンカーは、例えば、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、緑色蛍光タンパク質、または青緑色蛍光タンパク質であるが、これらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態において、ER移行シグナルは、膜輸送シグナルよりもさらにC末端に位置する。いくつかの実施形態において、膜輸送シグナルは、ER移行シグナルよりもさらにC末端に位置する。また、本明細書に提供されるのは、細胞膜上に発現される光活性化タンパク質を含む動物細胞であり、このタンパク質は、配列番号4に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列を含み、配列番号4のN末端シグナルペプチドは、欠失または置換される。いくつかの実施形態において、光活性化タンパク質は、配列番号4の残基40~262、39~262、38~262、37~262、36~262、35~262、34~262、33~262、32~262、31~262、30~262、29~262、28~262、27~262、26~262、25~262、24~262、23~262、22~262、21~262、20~262、19~262、18~262、17~262、16~262、15~262、14~262、13~262、13~262、12~262、11~262、10~262、9~262、8~262、7~262、6~262、5~262、4~262、3~262、2~262、または1~262に示される配列と少なくとも95同一であるアミノ酸配列を含む。いくつかの実施形態において、他のシグナルペプチド他のオプシンからのシグナルペプチド等を用いてもよい。光活性化タンパク質は、本明細書に記載のER輸送シグナルおよび/または膜輸送シグナルをさらに含んでもよい。また、本明細書に提供されるのは、本明細書に記載のタンパク質のうちのいずれかをコードするポリヌクレオチドであり、例えば、配列番号4に示される配列と少なくとも90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100同一であるコアアミノ酸配列と、ER移行シグナルと、膜輸送シグナルと、を含む、光活性化タンパク質等である。このポリヌクレオチドは、発現ベクター本明細書に記載のウイルスベクター等中にあり得る。このポリヌクレオチドは、動物細胞中で光活性化タンパク質の発現のために使用してもよい。ある種のより特定の実施形態において、哺乳動物発現のための光応答性タンパク質を提供するための方法が提供される。光応答性タンパク質は、ギャラルディアシータGtR3から単離される。GtR3は、C末端およびN末端を有する。プロモータを、GtR3のC末端に付加する。ある種の実施形態において、このプロモータは、小胞体ER移行シグナルである。哺乳動物細胞中での発現のためにGtR3を最適化する際のさらなる詳述については、この基礎となる仮出願で提出された、表題MolecularandCellularApproachesforDiversifyingandExtendingOptogeneticsの付録Aを参照のこと。興奮性タンパク質は、その細胞の活動電位の引き金となるレベルactionpotentialtriggerlevelの方へ細胞の電位を移動することにより、活動電位の発火を促す。多くのニューロンにおいて、これは、このタンパク質により、その細胞膜にわたって見られる負電圧が減少するということを意味する。特定の一例では、このタンパク質は、陽イオンをその細胞に移動するさらなるイオンチャネルとして作用する。このようにして、このタンパク質は、細胞膜を横断する興奮性電流を発生させる。より具体的には、このタンパク質は、その細胞膜にかかる電圧を上昇させ、それにより、活動電位または脱分極が生じる可能性を増大することにより、光に応答する。ある例では、その細胞膜にかかる電圧は、活動電位の引き金となるレベルまたはそれより高いレベルまで引き上げて、細胞の脱分極を生じることができる。本発明のある態様は、デュナリエラサリナ由来である、チャネルDChRの特定および開発に基づいている。チャネルロドプシンDChRは、青色光により照射されたとき、ロバストな脱分極電流を媒介する。脱分極電流は、細胞を、青色光への曝露に応答して興奮させ得る。ある実施形態において、DChRは、対象となる細胞中で外因性タンパク質として発現される。神経細胞については、DChRは、対象となる細胞に送達されるとき、内因性の共同因子を用いる興奮性タンパク質としての機能を果たすことができる。光遺伝学の分野へのGtR3およびDChRの導入は、種々の応用を可能にする。例えば、GtR3およびDChRは、ChR2クラミドモナスラインハーディChlamydomonasreinhardtiiから開発される等の他の光遺伝学イオンを通過させる分子と組み合わせて用いることができる。GtR3およびDChRは、他の光応答性分子と比較して、異なる動作パラメータを有する。これにより、異なる波長の光に対して精密に調節された応答を有する細胞または細胞集団の開発を促進する。同調され得るパラメータとしては、電流密度、過分極レベル、膜コンダクタンス、刺激周波数、静止電位、光学的波長、および/光強度が挙げられるが、これらに限定されない。別の例示的実施形態において、ニューロンの活動電位を制御するための方法は、ニューロンにおいて第1の光応答性タンパク質を作り出すステップと、光に応答して、ニューロン中で、かつ第1の光応答性タンパク質から、抑制性電流を生じるステップと、ニューロンにおいて第2の光応答性タンパク質を作り出すステップと、光に応答して、ニューロン中で、かつ第2の光応答性タンパク質から、励磁電流を生じるステップと、を含む。第1の光応答性タンパク質および第2の光応答性タンパク質は、異なる波長の光に応答し得る。ある例では、DChRまたはGtR3の使用は、そのような電流が発生するこの励起もしくは抑制性電流および/または光学的波長に対する特定の電流密度を促進することができる。別の例示的実施形態において、ニューロンの活動電位を制御するための方法は、ニューロンにおいて第1の光応答性タンパク質を作り出すステップと、光に応答して、ニューロン中で、かつ第1の光応答性タンパク質から、抑制性電流を生じるステップと、ニューロンにおいて第2の光応答性タンパク質を作り出すステップと、光に応答して、第2の光応答性タンパク質から第2の抑制性電流を生じるステップと、を含み、2つの電流の組み合わせは、単一の光応答性タンパク質よりもニューロンをより強力に抑制する。例えば、第1の光応答性タンパク質が、NpHRであり、第2の光応答性タンパク質が、GtR3であり得る。細胞の細胞膜を横断する電圧レベルを制御するための別の方法は、細胞膜の電圧レベルを測定することを含む。光応答性タンパク質が作り出され、光応答性タンパク質を細胞に導入し、そこで光応答性タンパク質が発現される。光の特定の波長が提供され、これは、光応答性タンパク質によって細胞中で反応を生じる。光応答性タンパク質による応答は、細胞膜を横断する電流を生じる。この電流は、測定された電圧レベルに応答する。本発明の別の態様は、インビボでのニューロンの活動電位を制御するためのシステムを対象とする。このシステムには、送達装置、光源、および制御装置が含まれる。この送達装置は、光応答性タンパク質をニューロンに導入し、この光応答性タンパク質は、抑制性電流を生じる。この光源は、光応答性タンパク質を刺激するための光を発生させ、制御装置は、光源による光の発生を制御する。他の実施形態において、ニューロンに導入された光応答性タンパク質は、興奮性電流を生じる。より詳細な実施形態において、そのようなシステムをさらに適合させて、送達装置により、この光応答性タンパク質が、トランスフェクション、形質導入、およびマイクロインジェクションのうちの1つにより導入されるようにするか、および/または、光源により、光が、埋め込み型光発生装置および光ファイバーのうちの1つを介してニューロンに導入されるようにする。遺伝子の送達および発現のさらに詳細な関連方法については、表題MethodandCompositionforControllingGene発現のPCT公開第WO2010/019619A1号PCT/US2009/053474を参照されたく、これは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本開示の別の態様は、疾患の治療のための方法を対象とするものである。本方法は、疾患に関連する一群のニューロンを標的とするものであり、この群において、本方法は、ニューロンの脱分極を制止する抑制性電流を生じることにより、光に応答する抑制性タンパク質を作り出すことと、ニューロンを光に曝露し、それにより、ニューロンの脱分極を制止することと、を含む。本開示のなお別の態様は、疾患の治療のためのさらなる方法を対象とするものである。本方法は、疾患に関連する一群のニューロンを標的とするものであり、この群において、本方法は、ニューロンの脱分極を促す興奮性電流を生じることにより、光に応答する興奮性タンパク質を作り出すことと、ニューロンを光に曝露し、それにより、ニューロンの脱分極を促すことと、を含む。本発明の他の態様では、異なる波長の光に応答する、抑制性および興奮性タンパク質が両方とも、標的とされた一群のニューロンに導入される。ニューロンは、代替として、異なる波長の光に曝露させて、励起し、かつニューロンの脱分極を抑制する。より詳細な実施形態は、そのような技術において拡張する。例えば、本発明の別の態様は、例えば、種例えば、マウスおよびシノラブディスエレガンスの中で、NpHRおよびVChR1等の他の周知のオプシンと、GtR3およびDChRとを共発現する。また、異極性の電流を生じ、異なる感色性を有するオプシンが、神経活動の双方向の光変調および読み出しreadoutのための哺乳動物の脳の急性切片におけるカルシウムイメージングに統合される。同様に、結合したオプシンは、シノラブディスエレガンスの筋肉およびコリン作動性運動ニューロンを標的として、移動運動を双方向に制御することができる。同時に、結合したオプシンは、生きている神経回路についての、マルチモーダルであり、高速であり、遺伝学的に標的とされた、全光学的な調査のための、完全かつ補完的な光遺伝学的システムとして用いることができる。さらに、1組を超える細胞が、異なるオプシンの統合を用いて標的とされてもよく、互いに独立して複数の組の細胞の精密制御を可能にする。GtR3およびDChRに加えて、細胞内のイオン流束または二次メッセンジャーを光学的に調節するようにつくりだすことができる、いくつかのチャネルロドプシン、ハロロドプシン、および微生物のオプシンが存在する。本発明の種々の実施形態には、そのようなイオンの光学的調節因子の、コドン最適化された、変異させた、切断された、融合タンパク質、標的とされたバージョン、またはそれ以外の修正されたバージョンが含まれる。例えば、GtR3およびDChR例えば、この基礎となる仮出願で提出されるような、付録BおよびC。前述のオプシンは、数多くの異なる実施形態を代表するものとして使用される。GtR3およびDChRを具体的に特定する考察は、別途指定がない限り、本発明を、光学的調節因子のそのような具体的な例に限定することを意味するものではない。前述の配列に関するさらなる詳細については、FengZhangらによるMultimodalfastopticalinterrogationofneuralcircuitry、NatureApril5,2007Vol.446:633-639に参照がなされ得、これは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。表1は、可視スペクトルを通じて細胞活動の抑制のために特定されたオプシンを示す。表2は、可視スペクトルを通じて励起および調節のために特定されたオプシンを示す。米国特許出願第12/988,567号および第12/996,753号、米国特許出願公開第2007/0054319号、第2010/0234273号、第2007/0261127号、第2007/0053996号、第2010/0145418号、第2009/0093403号、第2008/0085265号、第2010/0190229号、第2009/0099038号、ならびにPCT公開第PCT/US09/64355号に記載されるオプシンが、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。本発明のある実施形態において、列挙されるオプシンの種々の組み合わせが、例えば、細胞集団に送達される。第2の組み合わせを、異なる細胞集団に送達することができる。それぞれのオプシンについて画定された作用および波長感度を用いて、オプシンの組み合わせを、例えば、その他を抑制しながら、ある細胞集団を励起させるように選択することができる。本発明の一例示的実施形態と一致して、標的細胞は、埋め込み型配置を用いて刺激される。この埋め込み型配置は、光の受容に応答して標的細胞の刺激を促進する生物学的部分を含む。この埋め込み型配置はまた、標的細胞の刺激の引き金となる光を生じるための光発生装置も含む。ある実施形態において、この埋め込み型配置は、マイクロコントローラおよびフィードバックループを含む。光発生装置により生じた光の色は、細胞の電圧に依存する。標的細胞は、異なる波長の光に応答して、標的細胞の脱分極を抑制または促す複数の感光性タンパク質を含むことができる。本発明の別の例示的実施形態と一致して、一つの方法が、光感受性イオンチャネルの成長例えば、DChRイオンチャネルまたは光感受性イオンポンプ例えば、GtR3プロトンポンプを誘導することができるイオン導入ベクター例えば、ウイルスを用いて、インビボでの標的細胞を刺激するために実行される。これらのベクターは、器具の電気構成要素と共に、身体内に埋め込まれる。発光装置は、標的細胞付近に埋め込まれる。標的細胞は、発光装置により発生した光に応答して刺激される。ある種のより具体的な実施形態において、遺伝子導入ベクターは、1つを超えるイオンチャネルまたはイオンポンプの成長を誘導することができる。本発明の特定の実施形態と一致して、タンパク質が1つ以上の標的細胞に導入される。細胞に導入されたとき、このタンパク質は、ある周波数を有する光に応答して、細胞の電位を変化させる。これにより、活動電位発火の制御する静止するのに使用することができる静止電位の変化がもたらされ得る。ある具体的な例では、このタンパク質は、光に応答して、細胞膜を横断する電荷を移動させるための膜ポンプとして作用するGtR3である。膜ポンプは、この膜を横断するイオンの転座のために、電磁または化学結合エネルギーを用いるエネルギー変換器である。他の具体的な例において、このタンパク質は、膜ポンプとして作用するハロロドプシンである。ハロロドプシン膜ポンプは、この膜を渡って特定のイオンを移動する。ハロロドプシン膜ポンプに関するさらなる情報については、BrigitteSchobertらによるHalorhodopsinIsaLight-drivenChloridePump、TheJournalofBiologicalChemistryVol.257,No.17.September10,1982,pp.10306-10313に参照がなされ得、これは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。具体的な実施形態において、GtR3およびNpHRが、それぞれ、異なる標的細胞に導入されてもよい。この2つの抑制剤は、異なる波長の光に応答して、異なる標的細胞を独立して抑制するために2つのタンパク質を用いることを可能にする。GtR3およびNpHRはまた、細胞集団の抑制を上回る勾配制御のために、同じ細胞集団に導入されてもよい。例えば、同じ細胞内のGtR3およびNpHR分子は、比較的に互いに独立して、活性化され得る。したがって、第1のレベルの抑制は、細胞状態に対する最小の電流レベルを提供する分子型GtR3またはNpHRを活性化することにより実行することができる。次のレベルは、この第1の分子型を非活性化し、他の分子型を活性化することにより実行することができる。第3のレベルが、両方の分子を同時に活性化することにより実行することができる。さらなる勾配制御を、例えば、光の波長を変化させることにより、あるいはそれぞれのタンパク質の最大値、またはほぼ最大値で光強度を変化させることにより達成することができる。複数の抑制剤の組み合わせはまた、短絡抑制を引き起こすこともでき、これは、過分極抑制と組み合わされて、組み合わせアプローチにおいて、単一の抑制タンパク質を使用するものより強力な過分極を引き起こすことができる。細胞膜において、イオンの逆転電位ネルンスト電位としても知られているは、膜の片側からもう一方の片側にイオンの正味全体流れがない膜電位である。それぞれの型のイオンチャネルは、特定の逆転電位を有する。ネルンスト電位で、イオン移動の外向きおよび内向き速度は、同じであるイオン流出は、イオン型に対して平衡状態にある。ネルンスト電位のいずれかの側における膜電位の変化は、イオン流出の全体の方向を逆にする。イオンチャネルの逆転電位が、細胞膜の静止電位または光応答性タンパク質イオンチャネルが刺激され、静止電位に変化する場合の瞬間電位を下回る場合、イオンチャネルは、細胞の過分極により抑制する一因となる。対照的に、イオンチャネルの逆転電位が、静止電位と活動電位の発生の閾値の間にある場合、イオンチャネルは、短絡効果を有する。任意の所与のイオン例えば、Cl-の濃度勾配は、他のイオン例えば、NaおよびKの活性間の平衡によりある程度決定される。短絡抑制は、このチャネルコンダクタンスが、隣接した興奮性チャネルで発生する電流をショートするため、短絡と称される。したがって、抑制性の特徴を有する光応答性タンパク質チャネルの付加は、既存のイオンチャネルが方向を逆にし、電流を短絡する点まで膜電位を低下させ、膜電位が活動電位に達することを防ぐ、さらなる経路を作製することができる。本明細書に提供されるのは、細胞膜上に本明細書に記載の1つ以上の光活性化タンパク質を発現させる細胞を含む、細胞集団、組織、および非ヒト動物である。細胞、細胞集団、組織、および非ヒト動物の使用方法も提供される。図1Aは、細胞膜160における、光応答性イオンを通過させる分子ポンプまたはチャネル150を示す。一般に、イオンチャネルは、チャネルの逆転電位またはチャネルの平衡電位の方への流れを可能にし、この方向は、膜電位がチャネルの逆転電位を上回るか、あるいは下回るかどうかに基づいている。イオンチャネルは、イオンを移動するためのさらなるエネルギーを必要としない。イオンポンプは、平衡流れに逆らってイオンを移動し、膜を横断するイオンを移動するために、ATP等のいくつかのエネルギー形態の導入を必要とする。イオン162は、陰イオンであっても、陽イオンであってもよい。水素イオンは、プロトンおよび陽イオンである。イオン極性に伴うイオン流れの方向は、イオンを通過させる分子が、細胞上に過分極効果または脱分極効果を有するかどうかを決定する。ある実施形態において、イオンを通過させる分子150は、細胞から外へプロトンを移動し、細胞を過分極し、細胞の発火を抑制する。光応答性イオンチャネル/ポンプ150は、適切な周波数の光が存在しない限り、開口/活性しない。図1Bは、光応答性イオンを通過させる分子150が、細胞の内部にある膜内に発現される場合の、本発明の代替的な実施形態を示す。細胞の多くの内部成分は、細胞を取り囲む細胞膜と同様の膜を有する。細胞小器官152の膜は、光応答性タンパク質の導入前に、天然に存在するイオンポンプ/チャネルを含む。外因性光応答性タンパク質と共に導入されるプロモータに依存して、光応答性タンパク質は、種々の異なる細胞小器官の膜中、細胞膜中、または異なる細胞小器官および/もしくは細胞膜の組み合わせにおけるイオンポンプ/チャネルとして発現することができる。ある実施形態において、光応答性イオンを通過させる分子150は、プロトンポンプである。他の実施形態において、ポンプは、特定の陽イオンまたは特定の陰イオンのポンプ/チャネルであり得る。イオンポンプ/チャネル150は、細胞小器官の膜156に位置する。イオンを通過させる分子が発現される膜を横断するプロトンの移動は、膜156および膜160のいずれか、あるいは両方の膜電位を変化させるのに使用することができる。細胞質から外へのプロトンの移動は、細胞に過分極を生じ、これは、細胞の抑制をもたらす。ある例において、ポンプ/チャネル150を用いて、細胞小器官152およびその周囲の細胞質154のpHを変化させることができる。加えて、タンパク質が発現される細胞小器官のpHを、変化させる、および/または制御することができる。細胞内のほとんどの酵素は、pH感受性があり、それぞれの細胞小器官のpHは、エンドサイトーシスおよび分泌経路に沿って生じる協調的生化学的反応を厳密に決定する。正常な細胞小器官のpHホメオスタシスの異常は、著しい機能変化をもたらす場合がある。光応答性タンパク質の発現のレベルおよび場所すなわち、細胞小器官に依存して、細胞の様々の機能が、強化または遅延され得る。発現の十分高いレベルで、細胞は、殺滅され得る。これは、望ましくない細胞すなわち、癌において、望ましいものであり得る。例えば、細胞は、癌性の腫瘍部位で局所的にトランスフェクトされ得、次いで、慎重に指向された光パルスを用いて、腫瘍を縮小するまたは除去することができる。図2Aは、光応答性タンパク質の使用の2つの例を示し、それぞれの例は、3つの細胞集団、A、B、およびCを含む。上で簡潔に考察されたように、2つ以上の光応答性タンパク質を、同じ細胞集団に導入することができる。導入された光応答性タンパク質は、活性化されるとき、同じ応答または異なる応答を生じる場合がある。異なるタンパク質はまた、異なる反応時間、または反応の強度を有する場合もある。同じ極性の2つのタンパク質は、同時に、活性化することができ、これにより、相加効果をもたらす。例えば、2つの脱分極タンパク質は、選択的に刺激してもよい。これにより、発火の周波数を増加させることができる。例1では、細胞集団AおよびBは、同じ抑制タンパク質を発現するが、異なる興奮性タンパク質を発現する。細胞集団Cは、細胞集団AおよびBの抑制タンパク質とほぼ同じ波長で光に反応する興奮性タンパク質を有する。細胞集団Cの抑制剤は、細胞集団Aの興奮性タンパク質と同様の波長に反応する。この構成は、細胞集団を刺激するように提供された光への、種々の組み合わせの細胞集団の反応を可能にする。例1に設定されるように、細胞集団Bは、他の2つの集団のいずれを励起させるあるいは抑制することもなく、励起させることができる。しかしながら、細胞集団AおよびCは、提供される光に、ほぼ逆方向に反応する。例2は、3つの光応答性タンパク質を有する細胞集団A、ならびに2つの光応答性タンパク質を有する細胞集団BおよびCを含む。細胞集団Aは、異なる光の波長に反応する2つの興奮性タンパク質および1つの抑制性タンパク質を含む。細胞集団BおよびCはそれぞれ、細胞集団Aの興奮性タンパク質のうちの1つと、他の細胞集団BまたはCに存在する興奮性タンパク質と同じスペクトル中の波長に応答する抑制性タンパク質と、を有する。この構成により、細胞集団AおよびBの組み合わせを励起させる、または第3の細胞集団を抑制しながら、細胞集団BおよびCの組み合わせを励起させることができる。細胞集団BあるいはCのいずれにも影響を及ぼすことなく、細胞集団Aを抑制し、細胞集団BおよびCの両方を抑制しながら、細胞集団Aを励起させることができる。図2Aの例示的組み合わせは、限定することを意味するものではなく、単一の細胞集団、および細胞集団に渡る組み合わせの両方において、光応答性タンパク質の多くの組み合わせのいくつかを説明するものである。本発明の別の例示的実施形態と一致して、標的細胞は、哺乳動物の脳中に位置するニューロンである。標的細胞は、遺伝的に修飾されて、例えば、DChRイオンチャネル等の光感受性の生体分子配置を発現する。次いで、光を用いて、ニューロンを刺激することができる。脳内の位置ならびに刺激の周波数および長さ等の多くの因子に依存して、異なる目標を達成することができる。例えば、脳深部刺激DBSの現在の技術は、脳の標的とされるエリアに直接電流を流すために電極を用いる。電気刺激の周波数は、時折、低周波DBSあるいは高周波DBSと称される。研究は、高周波DBSが、刺激細胞からのインパルスの発生を抑制し、一方、低周波DBSが、刺激細胞からのインパルスの発生を促進することを示唆している。低周波DBSの高周波の効果を生じる周波数はまた、刺激される脳の特定のエリアに依存して異なることも示している。高周波DBSの一例によれば、ニューロンは、約100Hzまたはそれ以上の周波数で電流パルスを供給する電極を用いて刺激される。そのような周波数は、本明細書でさらに考察されるように、ある応用において効果的であることが示されている。種々の細胞集団において、図2Aに示されるものと同様に、2つ以上の光応答性タンパク質が存在してもよい。2つ以上の光応答性タンパク質のいくつかまたは全ては、細胞集団内の同じ作用すなわち、励起または抑制を導くことができる。例えば、例2の細胞集団Aは、2つの興奮性光応答性タンパク質DChRおよびVChR1を含む。図2Bは、2つ以上の型の光応答性タンパク質、例えば、DChRおよびVChR1が、同じ細胞集団に導入され得るある種の実施形態で用いる刺激プロファイルを示す。それぞれのイオンを通過させる分子は、pH等の環境因子に部分的に応答することができる、それぞれの刺激周波数限界を有する。この限界は、活性状態から不活性状態の推移に対して分子に必要とされる回復時間を反映する。それぞれが、異なる光学的波長に応答する2つの型の光応答性タンパク質の使用は、それぞれの型のタンパク質を、別々に制御することが可能にすることができる。それぞれのイオンチャネルは、選択的に活性化することができ、これにより、脳の刺激の周波数の増加を可能にする。例えば、例3は、第1の波長の光パルス実線の縦線が、周波数Fで提供されることを示す。この波長は、第1の型の分子三角を活性化するために選択される。第2の波長の第2の組の光パルス破線の縦線はまた、周波数Fで提供することもできる。この第2の組の光パルスを用いて、第2の型の分子正方形を活性化することができる。したがって、両方の細胞に対して得られた活性周波数は、それぞれの個々のイオンを通過させる分子に対して活性化周波数の2倍である。当然ながら、この周波数は、2つの型の分子間で同一である必要はなく、時間と共に変化させることができる。別の実施では、例4に示されるように、第1の型のイオンを通過させる分子は、一期間中活性化し、続いて、第2の型のイオンを通過させる分子を活性化することができる。これは、イオンを通過させる分子のそれぞれを、その期間中不活性であることを可能にし、この間、他のイオンを通過させる分子を活性化することを可能にするのに特に有用であり得る。ある例では、これは、イオンを通過させる分子の回復および持続的使用を促進することができる。さらに、異なる電流型、密度、およびイオンを通過させる能力を、所望の応答を生じるような特定の刺激プロファイルを決定するとき、考慮することができる。DBSの特定の例は、パーキンソン病の治療のために使用される。本応用では、DBSは、しばしば、患者の脳内の淡蒼球内部または視床下核に適用される。光に応答するように細胞を修飾する生物学的配置を埋め込むことにより、光を点滅する光を、電極の代わりに使用することができる。このようにして、標的ニューロン細胞および外部電気信号を標的細胞に直接適用する必要はない。さらに、光は、しばしば、その原点から電気よりもさらに遠くに移動することができ、それにより、刺激源に対して有効な領域を増加させ、光増感されているそれらのニューロンのみが刺激される。電極ベースのDBS方法と同様に、本発明の一実施形態は、ニューロンにより発生したインパルスを抑制するために、高周波DBSを用いて実行することができる。高周波DBSは、約100Hzの周波数で達成されているが、本発明の種々の実施形態を用いる高周波DBSは、同じ周波数を必ずしも必要としない場合がある。例えば、光活性化技術を用いるとき、低周波数例えば、50Hzで高周波DBSの抑制効果を再現することは可能であり得る。例えば、GtR3ポンプの活性化は、本来的に、過分極、および活動電位発生への耐性を促す。種々の周波数を、特定の応用例えば、脳の標的部位および所望の効果、および適用される刺激モダリティに応じて使用することができる。本発明の別の例示的実施形態と一致して、光感受性生体分子の発現を誘発する遺伝子導入ベクターが、特定の細胞型を標的とするために使用される。例えば、ウイルスベースのタンパク質例えば、レンチウイルス、アデノ随伴ウイルス、またはレトロウイルスを、それらが独特に発現するタンパク質に基づいて、特定の細胞型を標的とするように作製することができる。次いで、標的細胞は、ウイルスベースの遺伝子導入タンパク質により感染され、新型のイオンチャネル例えば、DChRを生成し始め、それにより、光感受性になる。これは、標的細胞に近接している他の細胞を刺激することなく、標的細胞を刺激するのに特に有用であり得る。例えば、ニューロンの異種の長さ、直径、クロナキシー、他の膜性質、電気絶縁、神経伝達物質の出力、および総括的機能は、互いにごく接近しており、そのため、ニューロンの刺激を提供するために電極を用いるとき、不注意で刺激される場合がある。ウイルスベクターの発生、ならびに神経細胞のインビボでの修飾および刺激におけるさらなる詳細については、2006年7月24日に出願された米国特許出願第11/459,636号のAlexanderM.Aravanis,etal,JournalNeuralEngineering42007S143-S156によるAnopticalneuralinterface:invivocontrolofrodentmotorcortexwithintegratedfiberopticandoptogenetictechnology、AntoineR.Adamantidis,etal,Nature,November15,2007Vol.450:420-424によるNeuralsubstratesofawakeningprobedwithoptogeneticcontrolofhypocretinneurons、VivianaGradinaru,etal,TheJournalofNeuroscience,December26,20072752:14231-14238によるTargetingandReadoutStrategiesforFastOpticalNeuralControlInVitroandInVivo、FengZhang,etal,NatureApril5,2007Vol.446:633-639によるMultimodalfastopticalinterrogationofneuralcircuitry、FengZhang,etal,NatureReviewsNeuroscienceAugust2007Vol.8:577-581によるCircuit-breakers:opticaltechnologiesforprobingneuralsignalsandsystemsに参照がなされ得、これらは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本発明の特定の実施形態は、インビボでの使用のために埋め込み型構成を利用する。発光ダイオード、レーザー、または同様の光源が、光を発生するために含まれる例えば、図3中の光発生装置104に示されるように。光源により発生させた光に応答して標的細胞の刺激を促進する光応答性分子を含むように標的細胞を修飾する生物学的部分。本発明の別の実施形態は、標的細胞を光に応答して刺激することを可能にする光感受性タンパク質を用いて標的細胞を刺激するための構成を利用する。図4の生物学的部分204と関連して考察されるもの等の生物学的送達装置は、光感受性タンパク質を含むように標的細胞を修飾するベクターを埋め込むために使用される。生物学的部分204と関連して考察されるもの、図7のメッシュ、または図8のウイルスマトリックス等の埋め込み型構成要素が、標的細胞付近の光発生装置を埋め込むために使用される。制御回路208と関連して考察されるもの等の制御装置は、標的細胞により受光された光を発生させるように光発生デバイスを活性化して、それにより、発生した光に応答して標的細胞を刺激するために使用される。ここで、図に戻ると、図3は、本発明の例示的実施形態に従う、標的細胞を刺激するためのシステムのブロック図を示す。ブロック102は、インビボの表示により示されるように、生物例えば、哺乳動物の内部の位置を示す。光発生装置104は、インビボで光を発生する埋め込み型装置である。光感受性の生物学的部分106は、発生した光の攻撃が、標的の刺激を生じるように標的細胞に影響を及ぼす。一例では、光発生装置104は、約数ミリメートルの大きさの小型電子デバイスである。この小さなサイズは、デバイスおよび関連した埋め込み型手順の貫入を最小限にするのに特に有用である。別例では、光発生装置104は、外部光源からの光を標的細胞に伝送するために使用することができる光ファイバーデバイスを含んでもよい。本発明の一実施形態において、標的細胞は、光活性化プロトンポンプ/チャネルタンパク質を含むように修飾される。そのようなタンパク質の具体的な例は、GtR3であり、これは、クリプト植物のギャラルディアシータに基づいた生成物である。GtR3の作用スペクトルの特徴分析により、吸収極大が約490nmであることを示唆される。別の具体的な例は、デュナリエラサリナ由来のDChRである。DChRの作用極大は、約500nmである。これらの感光性タンパク質は、多くの異なる方法を用いて埋め込むことができる。例示的方法としては、ゼラチンカプセル、液体注入等の種々の送達装置の使用が挙げられるが、これらに限定されない。そのような方法はまた、身体の領域に埋め込む、またはそうでなければアクセスするためのフレームまたはコンピュータ制御の手術ナビゲーションシステム等の定位手術技術の使用も含む。そのようなタンパク質の送達におけるさらなる詳細については、2006年7月24日に出願された米国特許出願第11/459,636号の表題Light-ActivatedCationChannelandUsesThereofに参照がなされ得、これは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。図4は、本発明の例示的実施形態に従う、標的細胞を刺激するための埋め込み型装置のブロック図を示す。図には、制御回路208、光源206、生物学的部分204、および標的細胞202が含まれる。生物学的部分204が、標的細胞202に影響を及ぼし、この標的細胞は、光に応答して刺激される。本発明の一実施形態において、生物学的部分204は、光感受性であるように修飾されている標的細胞202からなり得る。本発明の別の実施形態において、生物学的部分204は、標的細胞202を光に対して感受性にさせる、遺伝子導入ベクター等の生物学的素子を含有してもよい。この一例は、DChR発現のための遺伝子を担持するレンチウイルスである。このようにして、標的細胞202の刺激を、埋め込み型装置により制御することができる。例えば、制御回路208を、光源206の作動もしくは非作動、または光源206に電力を供給するバッテリーの充電により、外部信号に応答するように構成することができる。一例では、この外部信号は、制御回路208により受け取られる電磁放射線である。例えば、無線周波数RF信号は、外部RF送信機により伝達されて、制御回路208により受け取られ得る。別例では、磁場を用いて、制御回路を作動させる、および/または電力を供給することができる。制御回路208は、様々な程度の複雑度を用いて実現することができる。一例では、この回路は、磁場に曝露された場合に電流を発生する単純なコイルである。次いで、この電流を用いて、光源206に電力を供給する。そのような実装は、大きさおよび複雑度を限定すること、ならびに装置の寿命のを伸ばすために特に有用であり得る。別例では、制御回路208は、RFアンテナを含むことができる。任意に、バッテリーまたは容量性素子等の同様の電源を、制御回路208で使用することができる。充電されている間、この回路は、電源により、体外からの同時的なエネルギー送達を必要とせずに動作し続けることが可能となる。これは、光源206により発せられた光の正確な制御のために特に有用であり得、またその発せられた光の強度の増加のためにも特に有用であり得る。本発明の一実施形態において、光源206は、発光ダイオードLEDを用いて実現される。LEDは、低出力応用に有用であることが立証されており、また、電気信号に対して比較的迅速に応答することも立証されている。本発明の別の実施形態において、生物学的部分204は、標的細胞を光感受性に遺伝的にコードする遺伝子導入ベクターを含有するゼラチンまたは同様の物質を含む。一例では、このベクターは、体内に一旦埋め込まれると放出される。これは、例えば、これらのベクターが、例えば、脱水された材料またはゼラチン等の水溶性材料を用いて水溶液中へと放出されることを可能にする封じ込め材料を用いることにより、達成することができる。ベクターの放出により、標的細胞が修飾され、その結果、それらは、光源206からの光に応答して刺激される。本発明の別の実施形態において、生物学的部分204は、光感受性細胞を含有する合成メッシュを含む。一例では、これらの細胞は、光感受性であるように修飾されているニューロンである。この合成メッシュは、ニューロン全体例えば、細胞体が通るのを許容することなく、樹状突起および軸索がこのメッシュを通過できるように構成することができる。そのようなメッシュの一例は、直径が約3~7ミクロンである細孔を有し、ポリエチレンテレフタレートでできている。別の例示的実施形態において、生物学的部分204は、本明細書でさらに詳細に考察されるような、注入機構が含まれる。図5は、本発明の例示的実施形態に従う、埋め込み型装置のブロック図を示す。図3の埋め込み型装置は、磁場に応答する。より具体的には、巻線302およびコア304から構成されるインダクターは、磁場に応答して電流/電圧を発生する。電流は、導電性経路306を通って制御回路310まで通過する。制御回路310は、応答して、導電性経路308を用いて光源312を作動させる。光源312は、標的細胞を刺激するために、生物学的部分314を照射する。一例では、生物学的部分314には、ゼラチン、合成メッシュ、または本明細書でさらに詳細に考察されるような、注入機構が含まれる。本発明の一実施形態において、この制御部分は、単純なの電気的接続、抵抗素子であり得るか、または完全に除去することができる。そのような一実施形態において、発生した光の強度、持続時間、および周波数は、磁場から発生した電流により直接制御される。これは、安価な、長持ちし、かつ小型のデバイスを作製するのに特に有用であり得る。そのような実施形態の一例は、図6Aおよび図6Bと関連してさらに考察される。本発明の別の実施形態において、この制御部分は、より複雑な回路として、実装することができる。例えば、この制御回路は、異なる整流回路、バッテリー、パルスタイミング、コンパレータ回路等を含むことができ、そうでなければ、実装することができる。特定の例では、この制御回路には、CMOSまたは他のプロセスを用いて作製した集積回路ICが含まれる。集積回路技術は、非常に小さな面積に多数の回路素子を使用することを可能にし、ひいては、いくつかの応用のために比較的複雑な制御回路を実装することができる。本発明の特定の実施形態において、インダクター図5の302および304は、GowandaElectronics社により供給される100μHのインダクター部品番号CF1008-103K等の表面実装インダクターである。光発生部分は、0603または0805のパッケージサイズのLED等の青色LEDである。特定の例は、LEDtronics,IncTorrance,CAから市販の部品番号SML0805を有する青色表面実装LEDである。接続経路306および308は、導電性エポキシ、テープ、はんだ、または他の接着剤等の種々の導電体を用いて、実装することができる。琥珀色スペクトルおよび他のスペクトル中の光を発光するNpHRチャネルに適用できるようなLEDは、この同じ製造業者を含む、商業的供給源を通じて入手可能である。図6Aは、本発明の例示的実施形態に従う、埋め込み型装置のブロック図を示す。図6Aは、406により示される導電性パスを用いてLED408に接続されるコイル402およびコア404を含むインダクターを示す。図6Bは、図6Aのブロック図に対応する回路図を示す。インダクター412は、LED410に並列して接続される。したがって、インダクター412で見られる磁場を変化させることにより発生される電流および電圧は、LED410に発光をもたらす。変化する磁場の周波数および強度は、LED410からの光の所望の量および周期性を生じるように変化させることができる。図7Aおよび図7Bは、本発明の例示的実施形態に従う、光感受性の生体分子を含有するメッシュの略図を示す。メッシュ502は、照射を通過することが可能であるが、細胞506が通過するのを防ぐほど十分小さい大きさの穴504を有するように構成される。これにより、細胞506が、埋め込まれるが、光発生装置からの光をなお受け取ることが可能となる。本発明の一実施形態において、細胞506は、光感受性であるように修飾される幹細胞である。幹細胞は、図7Bにより示されるように成熟させる。特定の例では、幹細胞は、細胞体512、軸索/樹状突起508および510を有するニューロンに成熟する。ニューロンは、光感受性であるように遺伝的に修飾される。穴504は、直径で約3~7ミクロンである。この大きさは、いくつかの軸索/樹状突起が、穴504を通過することを可能にし、一方、細胞体512が通過するのを防ぐ。図8Aおよび図8Bは、本発明の例示的実施形態に従う、ウイルスマトリックスの略図を示す。ウイルスマトリックスは、ウイルスベクター604を含有する構造体602を含む。一例では、構造体602は、ウイルスベクター604が、哺乳動物606に埋め込まれるまで、ウイルスベクター604を含有するゲルまたは液体の物質を含む。一旦ウイルスベクター604が放出されると、それらは、図8Bに示されるように、埋め込み型ウイルスマトリックスの近くの標的細胞608を感染させる。感染した標的細胞610は、光感受性になり、ひいては、光を用いて、標的細胞610の刺激を制御することができる。本発明の一実施形態によれば、構造体602は、含有するウイルスベクター604で含浸されているか、またはそうでなければ密閉されるゼラチンである。構造体602が埋め込まれるとき、このゼラチンは、水和させるか、およびまたは溶解され、それにより、ウイルスベクター604を放出する。BDBiosciencesdivisionofBectonDickensonandCompanyFranklinLakes,NJによるマトリゲル等の化合物に加えて、標準的な市販のゼラチンミックスを使用することができる。図9は、本発明の例示的実施形態に従う、磁場に応答して光を生じる回路の回路図を示す。図9は、入力回路720および出力回路730を含む。インダクター704は、磁場702に応答して電流を発生させる。磁場の性質のため、インダクター704により生じた電流は、交流AC信号である。全波ブリッジ整流器706は、AC信号を整流し、RC回路とともに、AC信号からの比較的安定した電圧を発生する。この発生した電圧は、磁場702、および発生した電圧が十分なレベルであるとき光を発生する出力回路730に応答する。より具体的には、バッテリー708からの電源を用いて、磁場702に応答してLED710を駆動する。これは、インダクター704により見られる磁場702が、あまり強力でない例えば、インダクター704のインビボでの位置のため場合の応用に特に有用である。図10Aは、本発明の例示的実施形態に従う、RF信号801に応答して光を生じる回路の回路図を示す。アンテナ802を用いて、RF送信信号801を受信し、その信号を電気に変換する。受信した送信信号は、ダイオード803により整流され、コンデンサ805によりさらに濾波される。一例では、ダイオード803は、ショットキーダイオード等の、低い順方向バイアスおよび高速スイッチング能力を有するダイオードを用いて実装することができる。本発明の特定の実施形態において、RF送信信号801は、バッテリー815を充電するための電力成分と、LED825を制御するための信号成分と、を含む。コンデンサ805を選択して、回路により使用するためにこれらの成分を分離することができる。例えば、電力成分は、比較的に、低周波、大振幅信号であり得、一方、信号成分は、比較的に、高周波、小振幅信号である。コンデンサ805を選択して、信号の電力成分を濾波して、対応する電圧を生成することができる。RF送信信号の残りの高周波成分を、この電圧に付加する。次いで、送信信号の電力成分を用いて、バッテリー815を充電することができ、送信信号の信号成分を用いて、LED825を作動させる。LED825により生じた光は、標的細胞827の刺激の引き金となる。図10Bは、バッテリーを充電し、次に、バッテリーがLEDに電力を供給するデジタルパルス発電機の電力を供給する、代替の実施形態のラジオ周波数エネルギー蓄電池を示す。電磁信号850は、ループアンテナ852により受信され、対応する電気信号を生じる。ループアンテナ852から生じた電圧は、ダイオード855および856の逆方向バイアス電圧により制限され、コンデンサ854に蓄えられる。特定の例では、これらのダイオードは、ツェナーダイオード等の比較的精密である低い逆方向バイアス電圧を有するものである。電磁信号850は、ダイオード整流器ブリッジ858を介して整流され、電圧レギュレータ859によりフィルタリングして、DC電圧を生じる。DCを用いて、電源860を充電することができる。バッテリー860は、コンデンサ862を通じて、シュミットトリガー865の入力に結合される。シュミットトリガーの出力からのフィードバックは、コンデンサ863の充電に比例して、抵抗器864を通じて提供される。したがって、シュミットトリガー865の方形波出力の周波数は、コンデンサ863および抵抗器864を含む抵抗器-コンデンサのネットワークにより決定される。抵抗器864およびコンデンサ863は、不変であっても、可変であってもよい。シュミットトリガー865の出力は、LED866に電力を供給するデジタルインバーター867を通じて与えられる。LED866からの光は、シュミットトリガー865の方形波出力の周波数に応じて感光性ニューロン868に送信される。図10Cは、電磁場EMFエネルギー蓄電池およびパルスアプローチについてのブロック図を示し、そこでは受信したEMF897例えば、無線周波数エネルギーは、蓄積エネルギーのみならず、マイクロコントローラ895への命令に関するコードされた信号を含む。ステップ885エネルギーパラメータ制御信号:コード化および送信では、例えば、周波数変調によるような、当技術分野で知られている方法により、制御命令信号をコード化して、エネルギー成分上に乗せる。エネルギー受信器ブロック890は、EMF信号の一部を用いて、ブロック893への電力を提供する。制御信号受信器ブロック891は、EMF信号の一部を用いて、制御命令をマイクロコントローラブロック895に提供する。制御命令を用いて、周波数、強度、持続時間、色等の発生させる光の種々のパラメータに関する情報を送信することができる。これらの命令は、ブロック895により示されるような、マイクロコントローラまたは論理回路を用いて、デコードおよび処理することができる。ブロック895は、デコードされた命令に応答して、制御信号を発生することができる。したがって、LED896により発生される光の周波数および他のパラメータは、所与の埋め込み型装置に対して不変である必要はない。アンテナ889は、エネルギー受信器890電圧レギュレータおよびバッテリー回路893への電力を提供するへの入力を送達する。同時に、アンテナ889は、コード化したデータを制御信号受信器891に送達し、これは、LED896を駆動するマイクロコントローラ895に制御入力を提供する。次いで、選択した波長の光897が、電気的に励起され得る細胞898に送達される。電圧レギュレータおよびバッテリー回路893のバッテリーは、マイクロコントローラ895および制御信号受信器891へ電力を提供する。図9、ならびに図10A、10B、および10Cの回路図は、単に本発明のいくつかの特定の実施形態の例示であり、種々の他の実装形態が企図される。例えば、特定の実施形態は、青色LEDを用いる光源を実装するが、他の色および光源を、特定の応用に依存して実装することができる。他の特定の実施形態において、光源は、1つを超える色の光源を含む。回路は、命令が、細胞の抑制または励起を必要であるかどうかに依存して、いつ光が提供されるかだけでなく、どの色かも制御する。例えば、特定の例では、標的細胞は、抑制剤例えば、GtR3および励起剤例えば、VChR1の両方を発現し、これらは、異なる波長の光に応答する。このシステムはまた、細胞が励起または抑制されるレベルを制御することもできる。これは、励起するまたは抑制する標的細胞中に複数の光応答性タンパク質を含め、単回で1を超える光の波長を提供するように命令をプログラミングすることにより行うことができる。図11Aおよび図11Bは、それぞれ、本発明の例示的実施形態に従う、光ファイバー装置の略図を示す。この光ファイバー装置は、制御部分908と、光発生装置906と、光ファイバーケーブル902と、を含む。光ファイバーケーブル902は、本明細書に考察されるように、ウイルスマトリックスまたは合成メッシュ等の光感受性生物学的部分付近に位置付けることができる。これにより、制御部分908および光発生装置906を、標的細胞910からの距離を置いた位置例えば、光ファイバーケーブル902の長さ対応する距離に位置付けることができる。これは、標的細胞付近にある、例えば、標的細胞が、脳内の敏感な位置で、またはその付近である場合、埋め込み型装置の部分の大きさを最小限に抑えるのに特に有用であり得る。場合によっては、部分908および906の遠隔位置はまた、種々の構成要素例えば、バッテリーの交換、刺激の周波数および長さの変更が挙げられるが、これらに限定されない、装置の修正も容易にする。制御部分908は、磁場またはRF信号等の外部信号に応答するように設定することができる。あるいは、制御部分908は、プログラムされたスケジュール、または外部信号とプログラムされた応答の組み合わせに従って、光発生装置906を作動させるように設定することができる。図12A~12Dは、本発明の例示的実施形態に従う、光感受性の生物学的部分の生成における様々な段階を示す。より具体的には、図12Aは、いくつかの型1002を有する成形構造体1004を示す。型1002は、特定の応用に依存して、種々の大きさに構成される。1つのそのような応用では、これらの型は、直径数ミリメートル以下である。図12Bは、1006および1008により示されるような、一層のゼラチンまたは同様の物質を適用した後の、図12Aからの型1002を示す。さらに、ウイルスベクターvで示されるは、上の2つの型中にある。これらのウイルスは、液体培地、またはゼラチン様培地であり得る培地1012内に懸濁されてもよい。そのような液体には、生理食塩水、HEPES緩衝食塩水、ならびに他の周知のウイルス物質および移動媒体が含まれる。好適なゼラチン様培地には、マトリゲルBDBiosciences,SanJoseCAが挙げられる。これらのウイルスベクターは、移植後の標的細胞の細胞膜へ光感作のために遺伝子を導入するように設計される。図12Cは、型1006の側面図を示す。1016は、ゼラチン層1014の形状を形成する成形構造体を示す。ゼラチン層1014は、培地1012内に含有されるウイルスベクターを捕捉する。上部のゼラチン層1010を、ウイルスベクターを十分に含有するように適用する。図12Dは、得られたウイルスベクターカプセルを示す。ウイルスベクター1018は、ケーシング1020により領域1022内に含められる。ケーシング1020は、一旦移植されると、溶解されるか、他の方法でウイルスベクター1018を標的細胞に播種することができるように設計することができる。一例では、このカプセルは、移植時、ウイルスベクターを身体に流出させるように、例えば、ゼラチン等の水溶性材料から構成される。水溶性材料は、製薬産業において良く知られている。図13は、本発明の例示的実施形態に従う、埋め込み装置を示す。生物学的部分1102および光発生装置1108は、この埋め込み装置を用いて埋め込まれる。例えば、装置1114の軸は、標的細胞付近に位置付けられる。次に、装置のユーザーは、部分1112が、標的細胞付近に生物学的部分1102および光発生装置1108を設置させる部分1116を押圧する。次いで、この埋め込み装置を除去することができる。図14Aおよび図14Bは、本発明の例示的実施形態に従う、別の埋め込み装置の略図を示す。埋め込み型光発生装置1204は、流体チャネル1202により取り囲まれ、透過される。流体チャネル1202は、生体分子材料例えば、光感受性のあるウイルスベクターを含有する溶液1210を、光発生装置1204および標的細胞のごく近くに注入することを可能にする。流体チャネルは、1212および1214によりそれぞれ示されるように、装置1204の外および/または装置1204内に位置することができる。このようにして、ウイルスベクターを、多量に、またはある期間にわたって注入することができる。例えば、ウイルスベクターにより感染した細胞は、ある期間後、それらの注射前の状態に戻り得る。図12Aの装置を用いて、ウイルスベクターを、標的細胞に周期的に再導入することができる。あるいは、異なるウイルスベクターを流体チャネルを通じて導入することができ、埋め込み部位で異なる細胞を標的とすることができる。これは、異なる型の細胞の刺激を介した段階的治療に特に有用であり得る。本発明の特定の実施形態は、ニューロンを遺伝的に修飾して、感光性イオンチャネルDChRを発現させる方法に関する。本方法では、青色光のパルスが、DChRニューロンに、それぞれのパルスに対応して活動電位を発火させる。脱分極および再分極が、本方法を通常のネットワーク神経生理学と一致させるミリ秒時間スケールで生じる。特定の標的ニューロンが、遺伝子導入のためのウイルスベクターを用いて修飾される。ウイルスベクターの生成におけるさらなる詳細については、Boydenetal.2005,Zhangetal.2006の表題Channelrhodopsin-2andOpticalControlofExcitableCells、NatureMethodsVol.3,No.10に参照がなされ得、これは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。このトランスフェクションは、単一タンパク質、DChRとして知られている細胞膜イオンチャネルの遺伝子の導入をもたらす。自然では、DChRは、デュナリエラサリナの細胞膜上に存在する。青色/緑色光500nmの吸収時、このイオンチャネルは、短時間開口し、陽イオンを流入させる。哺乳動物神経細胞にトランスフェクトされるとき、罹患した神経は、光感受性になり、これは、光が引き金となる活動電位を生じる。ロバストプロモータでもあるニューロン型に特異的な機能が、ウイルス内のDChRコードに隣接して挿入され、その株は、293FT細胞のカルシウム-リン酸塩の共トランスフェクションにより増殖される。次いで、上清をウイルスペレットに遠心分離し、これをリン酸緩衝生理食塩水内に入れる。特定の例では、DChRの応用は、光刺激のために使用される。デュナリエラサリナ由来のDChRチャネルロドプシンを含むアミノ酸残基を、ウイルスベクターを用いて、DChRの遺伝子を標的神経細胞に挿入することにより、哺乳動物神経細胞に高速光感受性を与えるために使用することができ、これにより、その後、標的細胞はこの遺伝子を発現し得る。約500nmの青色/緑色光により照射されると、ATRは、異性化し、立体配座変化の引き起こし、チャネル孔を開口する。DChRは感光性イオンチャネルであるので、内向き電流を可能にする。別例では、応用GtR3デュナリエラサリナ由来は、光刺激のために使用される。このプロトンポンプは、ウイルスベクターを用いて、標的神経細胞にGtR3の遺伝子を挿入することにより、哺乳動物神経細胞上に付与され得、これにより、その後、神経細胞はこの遺伝子を発現し得る。約472nmの青色光で照射すると、ニューロンの細胞質からのプロトンの活性ポンプは、細胞の過分極をもたらす。DChRまたはGtR3を介した青色光に対する感受性は、ウイルスベクターが、前述の正常細胞に応答する遺伝子を挿入するとき、誘発されるため、挿入は、特定の細胞のサブタイプにより発現される生成物に遺伝的に標的され得る。例えば、ドーパミン作動性ニューロンにのみ生じ、青色光に反応するコリン作動性ニューロンには生じないことは有利であり得る。上記で考察されたように、本発明のある実施形態は、細胞中に発現される光学的に応答するイオンポンプまたはイオンチャネルの使用を含む。特定例では、細胞は、神経細胞または幹細胞のいずれかである。特定の実施形態は、イオンポンプを発現するインビボ動物細胞を含む。本発明のある態様は、例えば、神経活動の時間的に正確な光学的抑制のための、ギャラルディアシータ由来のプロトンポンプの特定および開発に基づいている。このポンプにより、速いスパイクトレーン内の単一の活動電位のノックアウト、および何分間にもわたるスパイク発生の持続的な遮断の両方が可能となる。本発明の例示的実施形態によれば、光学的に応答するイオンポンプおよび/またはチャネルは、1つ以上の幹細胞、前駆細胞、または幹細胞もしくは前駆細胞の子孫において発現される。光学的な刺激を用いて、発現したポンプ/チャネルを活性化する。この活性化を用いて、細胞中のプロトン濃度を制御することができる。また、それを用いて、特定の細胞内の細胞小器官のpHを制御することもできる。これは、その細胞中の生存、増殖、分化、脱分化、または分化の欠如に影響を及ぼすのに特に有用であり得る。したがって、光学的な刺激を行って、幹細胞または前駆細胞の成熟に対する制御を提供する。本発明の他の例示的実施形態によれば、抑制性のニューロン電流の流れを発生させるための方法は、ニューロンにおいて、ニューロンの脱分極を制止する抑制性電流を生じることにより、光に応答するタンパク質を作り出すことを含む。そのような一方法では、このタンパク質は、ニューロンにおける外因性分子であるGtR3であり、別の方法では、このタンパク質は、内因性の共同因子を用いる抑制性タンパク質である。別例の実施形態において、ニューロンの活動電位を制御するための方法は、ニューロンにおける第1の光応答性タンパク質を作り出すステップと、光に応答して、ニューロン中で、かつ第1の光応答性タンパク質から抑制性電流を生じるステップと、ニューロンにおける第2の光応答性タンパク質を作り出すステップと、光に応答して、ニューロン中で、第2の光応答性タンパク質から励磁電流を生じるステップと、を含む。光応答性タンパク質の組み合わせは、例えば、このタンパク質の光感受性、このタンパク質の応答時間、およびこのタンパク質の画定された作用に依存し得る。同じ型抑制性対興奮性の複数の光応答性タンパク質は、同じ細胞集団において使用され得、例えば、活動電位の長期間の妨害または使用される光の波長に依存する単一の活動電位の抑制を可能にする。細胞の細胞膜をに渡る電圧レベルを制御するための別の方法では、本方法は、細胞における第1の光応答性タンパク質を作り出すことと、細胞膜に渡る電圧レベルを測定することと、第1の波長の光に応答して、かつ、第1の光応答性タンパク質を用いて、その測定された電圧レベルに応答性であるその細胞膜に渡る電流を生じることと、を含む。本発明の別の態様は、インビボでのニューロンの活動電位を制御するためのシステムを対象とするものである。このシステムには、送達装置、光源、および制御装置が含まれる。この送達装置は、光応答性タンパク質をニューロンに導入し、この光応答性タンパク質は、抑制性電流を生じる。この光源は、光応答性タンパク質を刺激するための光を発生させるものであり、制御装置は、光源による光の発生を制御するものである。特定の実施形態において、この光源は、青色光源であり、この光応答性タンパク質は、青色光に応答性である。より詳細な実施形態において、そのようなシステムをさらに適合させて、送達装置により、この光応答性タンパク質が、トランスフェクション、形質導入、およびマイクロインジェクションのうちの1つにより導入されるようにするか、および/または、光源により、光が、埋め込み型光発生装置および光ファイバーのうちの1つを介してニューロンに導入されるようにする。本発明の別の態様は、疾患の治療のための方法を対象とするものである。本方法は、疾患に関連する一群のニューロンを標的とするものであり、この群において、本方法は、ニューロンの脱分極を制止する抑制性電流を生じることにより、光に応答する内因性の共同因子を用いる抑制性タンパク質を作り出すことと、ニューロンを光に曝露し、それにより、ニューロンの脱分極を制止することと、を含む。本発明の別の態様において、GtR3は、哺乳動物発現のために最適化される。光応答性タンパク質は、ギャラルディアシータから単離される。単離されたタンパク質は、C末端およびN末端を有する。小胞体ER移行シグナルプロモータを、単離されたタンパク質のC末端に加えて、増強した光応答性タンパク質を作製する。種々の実施形態において、単離されたGtR3に付加したプロモータは、所望の発現の位置に依存して異なる。図15は、本発明の例示的実施形態に従う、複数の光源を用いた配置を示す。図15は、タンパク質1610および1614を照射する光源1602および1604を示す。タンパク質1610および1614は、それぞれ、光源1602および1604からの光に応答して、細胞膜に渡る電流を制御するように、細胞1612内に作り出される。一例では、第1のタンパク質1610は、活動電位の発火を制止するように機能し、一方、第2のタンパク質1614は、活動電位の発火を促すように機能する。タンパク質1610および1614のそれぞれは、光に応答する。特定の例では、第1のタンパク質は、波長Aを有する光源1602からの光に応答し、第2のタンパク質は、波長Bを有する光源1604からの光に応答する。したがって、これらの光源を用いて、それぞれのタンパク質を独立して制御することができる。これは、細胞中の活動電位を促すことおよび制止することの両方に有用であり得る。別例では、両方のタイプのタンパク質を有することにより、細胞膜電圧の正および負の制御の両方を可能にする。したがって、異なる光源およびタンパク質を用いて、細胞膜の電圧または電流レベル例えば、クランピングを制御することができた。反応性を判定する1つの方法は、所定の応答を生じるのに必要とされる光の強度から反応性を定量化することを含む。いくつかの例では、タンパク質の反応性が、一次波長の反応性よりも少ない可能性があるが、第1または第2のタンパク質は、それでも、光の交互の波長に応答することができる。したがって、第1の型のタンパク質は、他の型のタンパク質に対応する波長に対していくつかの反応性があり得るが、それでも、動作の十分な独立性を維持する。1つのそのような例では、細胞の制御は、光の波長あるいは光の強度をシフトすることにより、実行することができる。例えば、波長は、AからBの間でシフトされ、細胞膜電圧電位の対応する増加または低下を促すことができる。あるいいは、同様の作用を有するが、異なる活性化波長を有さない複数のタンパク質を、同じ細胞に導入してもよい。この応答は、波長がシフトされる場合、変化する場合あり、所によっては、2つの応答の組み合わせは、個々のタンパク質からのものよりも大きい応答を生じる。本発明の一実施形態によれば、ポンプ1614は、細胞1612の電圧レベルを制御することのような、活動電位の発火を制止すること以外の目的のために、任意に、実装することができる。より具体的には、センサーを、光源1602のフィードバックを提供するために使用することができる。例えば、このフィードバックは、細胞膜に渡る電圧または電流の測定であり得る。したがって、光源は、細胞に渡って定電流または電圧例えば、クランプを維持するように設定され得る。さらに、反応性の量は、光の強度および波長のうちの1つ以上を変更することにより制御することができる。図16は、本発明の例示的実施形態に従う、インビボでの1つ以上の細胞の電気的性質を制御するためのシステムを示す。制御/インターフェースユニット1702は、光源1704が、標的細胞1708を照射することを可能にする/不可能にする。光ファイバーケーブル1706等の送達機構は、光を標的細胞1708に送る、またはそうでなければ、誘導する。光ファイバーケーブル1706は、光ケーブルの束を含むことができ、それぞれが、独立して、光を伝送し、誘導する。したがって、光ファイバーケーブル1706は、複数の位置に1つ以上の波長を有する光を送達するように設計することができる。センサー1710を、例えば、光学顕微鏡等の光学顕微鏡として、または電圧計として、実装して、コントロールユニット1702へのフィードバックを提供することができる。特定の例では、フィードバックは、標的細胞または他の関連細胞の光学画像を含む。別例では、フィードバックは、活動電位の発火の量を含む、標的細胞の電圧レスポンスをモニターすることができた。図17は、本発明の例示的実施形態に従う、インビボでの1つ以上の細胞の電気的性質を制御するためのシステムを示す。制御/インターフェースユニット1802は、埋め込み型光源1804を作動/非作動にし、次いで光源は、標的細胞1806を照射する。2つの光源の、抑制性電流光源1808および励起電流光源1810を有する光源1804が、示される。光源1808は、抑制性タンパク質に応答する波長および強度で光を生成し、一方、光源1810は、励起タンパク質に応答する波長および強度で光を生成する。当業者は、単一の抑制性光源または1つ以上の波長を有する一連の光源を含む、光源1810の種々の設定が可能であることを認識するであろう。制御/インターフェースユニット1802は、ラジオ周波数信号、磁気信号等を用いて、有線通信および無線通信等の任意の適切な通信機構を通じて、光源1804と通信する。図16に関連して上で考察されるように、センサー1812は、任意に、コントロールユニット1802へのフィードバックを提供するために、実装することができる。本発明のある実施形態は、薬物スクリーニングにおいて有用であり得る。イオンスイッチを用いて膜電圧を調節するのに役立つ、種々の感光性タンパク質は、光に応答して活性化されるまたは脱活性化されるとき、チャネルまたはポンプとして作用し、以降、光応答性イオンスイッチ、または光活性化膜電位スイッチLAMPSと称する。本発明の1つの例示的実施形態と一致して、システムは、イオンチャネルおよびイオンポンプに影響を及ぼす化合物をスクリーニングする。システムは、薬物候補をスクリーニングするために、上述のタンパク質とりわけ、ChR2、DChR、NpHRの組み合わせの付加により光学的に応答させる細胞へのイオンチャネルまたはイオンポンプの活性を遮断するあるいは増強することができる1つ以上の薬物候補を導入する。光は、細胞中の光学的に応答するイオンチャネルの引き金となり、細胞膜にわたって見られる電圧の変化を生じる。電圧変化は、細胞中の電位依存性イオンチャネルを刺激し、これは、次いで、光出力として読み出すことができるイオン濃度の変化を生じる。これらの光信号を、検出して、もしあれば、薬物候補が、電位依存性イオンチャネルにおいてどのような効果を有するかを判定するために使用する。より具体的な実施形態において、プロトンポンプを発現するタンパク質は、細胞に導入される。一例では、システムは、異なる薬物候補を、スクリーニング間の広範な設定を必要とせずスクリーニングすることができる。例えば、光学的に応答する細胞を刺激するためのみならず薬物の有効性を検出するために、光学系を用いて、アッセイを行うことができる。手作業の接触の代わりに光学系の使用、例えば、全細胞パッチクランプの使用は、特に、アッセイのスクリーニングプロセスのスループットを増加させるのに有用であり得る。例えば、スクリーニング間の時間は、そうでなければ、標的細胞中のイオン流れを刺激するまたは検出するのに必要であったであろう物理的処置を最小化または除外することにより、削減することができる。細胞はまた、試験装置が、調製された細胞に光学的に結合されるのにのみ必要であるため、スクリーニングプロセス前に調製することもできる。別例では、スループットは、例えば、一連の光検知器および対応する一連の異なる薬物に曝露される修飾細胞を用いて、同時に、多くの異なる薬物をスクリーニングすることによって増加させることができる。細胞株に基づくアプローチは、特定のイオンチャネルに限定されない。例えば、細胞株は、電位依存性ナトリウム例えば、Nav1.1~Nav1.9、カリウム例えば、hERG、TASK1、Shaker、またはKvLQT1等のKv、またはクロライドを伝導するチャネル/ポンプ例えば、クロライドチャネルのCLCファミリーのメンバーのために作製することができる。細胞株へのそのような遺伝子を導入する方法は、当技術分野で知られており、例えば、リポソーム性トランスフェクション、またはウイルス遺伝子導入が含まれる。これに関するさらなる情報に関しては、以下の参照文献のうちの1つ以上を参照され得る。WarrenPear.TransientTransfectionMethodsforPreparationofHigh-TiterRetroviralSupernatants,Supplement68.CurrentProtocolsinMolecularBiology,9.11.1-9.11.18.JohnWileySons,Inc.1996.R.E.Kingston.C.A.Chen.H.Okayama,andJ.K.Rose.TransfectionofDNAintoEukaroticCells.Supplement63.CurrentProtocolsinMolecularBiology,9.1.1-9.1.11,JohnWileySons,Inc.1996R.Mortensen.J.D.Chesnut.J.P.Hoeffler.andR.E.Kingston.SelectionofTransfectedMammalianCells,Supplement62.CurrentProtocolsinMolecularBiology,9.5.1-09.5.19.JohnWileySons,Inc.1997.H.Potter.TransfectionbyElectroporation,Supplement62.CurrentProtocolsinMolecularBiology,9.3.1-9.3.6.JohnWileySons,Inc.1996.T.Gulick.TransfectionusingDEAE-Dextran,Supplement40.CurrentProtocolsinMolecularBiology,9.2.1-9.2.10.JohnWileySons,Inc.1997.R.E.Kingston.C.A.Chen.H.Okayama.TransfectionandExpressionofClonedDNA,Supplement31.CurrentProtocolsinImmunologyCPI,10.13.1-10.13.9.JohnWileySons,Inc.上の参照文献のそれぞれは、参照によりその全体が組み込まれる。これらおよび他の遺伝子導入ベクターは、種々の遺伝子工学技術を用いて生成することができる。例えば、遺伝子導入ベクターは、免疫欠損ウイルス例えば、HIV-1もしくはHIV-2、またはSIV等のレトロウイルスのプロウイルスクローンに由来してもよい。293T細胞およびそのトランスフェクションの使用におけるさらなる詳細に関しては、米国特許第6,790,657号Aryaらの表題LentivirusVectorSystemに参照がなされ得、これは、参照により本明細書がその全体に組み込まれる。本発明の一実施形態において、修飾細胞の光学的な刺激を改変して、導入された薬物候補の特定の性質を決定することができる。例えば、光学的な刺激の強度は、脱分極の対応するレベルを変化させるように変更することができる。所望の脱分極レベルは、試験用の薬物の有効性をさらに特徴付けるように調節することができる。別例では、光学的な刺激は、光の高速パルシングを含むことができる。光学的な刺激と結果として起こる検出された蛍光との間の時間的関係を相関させることにより、この薬物は、動的応答に関してさらに特徴付けることができる。したがって、薬物は、イオン濃度における定常状態の効果、電位依存性イオンチャネルの引き金となることが必要である脱分極レベルの変化、および反復脱分極における効果が挙げられるが、これらに限定されない、種々の異なる態様について特徴付けることができる。一実施形態において、システムは、光学的な刺激および/または検出の単純較正を可能にする。修飾細胞は、薬物候補の導入前に光学的に刺激することができる。イオンチャネルの反応性が検出され、記録される。記録された値は、試験用薬物の導入後、同じ修飾細胞のイオンチャネルの反応性に対する比較のために、ベースラインとして使用することができる。また、記録された値を用いて、光学検出器の光学的な刺激または感受性を修正することもできる。そのような修飾は、個々の試験サンプルまたは一連の試験サンプルに適用することができる。そのような一連の試験サンプルのために、それぞれの試験サンプルは、対応する光学的な刺激を調節することによって、個々に較正され得る。同様に、それぞれの対応する光検知器は、個々に調節され得る。図18Aは、本発明の一実施形態に従う、イオンチャネルに影響を及ぼす薬物のスクリーニングのためのシステムの基本ブロック図を示す。光学制御1904は、データベース1902、光源1906、および光学検出器1909と通信する。光源1906は、試験サンプル1908への光学的な刺激を提供する。試験サンプル1908には、試験用薬物、光学的に応答するイオンチャネルを有する細胞、および電圧/イオン指示薬が含まれる。一例では、この指示薬は、光源1906からの光に応答して蛍光を発する。光学制御1904はまた、再構成可能な読み出し情報を含みこともできるので、異なるLAMPSおよび異なるLEIAを使用するとき、同じ制御システムを、それぞれのパラダイムに容易に適合させることができる。光学検出器1909は、そのような蛍光に応答する信号を生じ、光学制御1904は、生じた信号を受信する。光学制御1904は、データベース1902中に信号から得られたデータを格納する。格納された情報は、検出された光の強度、持続時間、および波長等の因子を含むことができる。特定の例では、保存されたデータは、ベースラインデータと比較され得、このベースラインデータは、試験サンプル1908への薬物の導入前に記録されたデータに対応する。別例では、光源1906は、光源1906の制御と関連して強度、持続時間、または他のパラメータを変化させることができる。これらおよび他のパラメータは、データベース1902中に格納することができる。光源1906が、発光ダイオードLED等の単一光源を用いて、またはいくつかの光源を用いて、実現され得ることは、明らかであるべきである。同様に、光学検出器1909は、1つ以上の検出器を使用することができ、データベース1902は、いくつでも適切な記憶装置を用いて、実現することができる。図18Bは、本発明の特定の実施形態に従って、薬物スクリーニングの大型の擬自動化システムの系統図を示す。制御装置1901例えば、コンピュータまたは制御論理は、種々のプロセスを制御し、システムの入力/出力機能の中心点として働く。この環境は、1つ以上のセンサー1914例えば、サーモスタット、二酸化炭素センサー、および湿度センサー、二酸化炭素および加湿装置1912、ならびにヒーター1910を用いて、温度と湿度が調節されたチャンバ1905の壁内の適切な温度、湿度、二酸化炭素レベル、および周辺光レベルで維持することができる。複数のウェルトレイ1941は、培養細胞、薬物、およびそれぞれの試験に必要とされる他の材料を保有する試験ウェル1940を含有する。トレイ1941は、XYZ台1925上に置かれる。これらの移動は、コンピュータ1901の制御下で、台アクチュエータ1920により実行される。キセノンランプ1955は、高強度の白色光1956を発光し、光は、色フィルター1960を通過する。DChRが、ウェル1940内の細胞を刺激するために使用される場合、色フィルター1960は、青色であり、フィルターから抜け出す青色光1961を生じ、2色性ミラー1970を打つ。次いで、青色光1961は、顕微鏡の対物レンズ器具1930を通じて、および透明なトレイ1941の底部を通じて、上のほうへ通過する。このような様式で、透明な底面のあるウェル1940の内容物が、照射される。別々の波長の光が、細胞活性の蛍光発光指示薬を刺激する必要があるときには、適切な仕様のフィルターが、上述のフィルター160の代わりに置き換えられてもよく、これにより、後者のタスクのために、適切な波長の光がウェル1940へ送られる。ウェル1940内の細胞が、光感受性とされた場合、およびこれらのウェルのそれぞれで試験される薬物が、このプロセスを抑えない場合、それぞれのウェルに付加されるか、または遺伝子修飾を介して、細胞により発現される、細胞活性の発光する指示薬LEIAは、光の効果により生じる電圧変化に従って光を発する。刺激光よりもさらに小さい規模であり得るこの第2の波長の光は、顕微鏡タレット1935により回収され、また、CCDカメラのレンズ1980上に、2色性ミラー1975を通過させる。2色性ミラー1970は、細胞膜の光学的ゲーティングを刺激するために必要とされる波長例えば、DChRに対して青色-緑色と、使用されるいかなるLEIAにも必要とされる波長例えば、FURA-2に対して紫外線の両方の上方への反射光を可能にする。この2色性ミラーは、最小の反射または吸収のあるLEIAの出力スペクトル例えば、FURA-2に対して青色-緑色の通路を可能にするように配置され得る。図19は、本発明の例示的実施形態に従う、自動化薬物スクリーニングシステムの系統図である。エミッター/検出器ユニット2050は、エミッター/検出器アレイ2051を構成する。エミッター/検出器アレイ2051は、トレイ2040上のウェルの数、大きさ、およびレイアウトと一致する。トレイを保持する装置2025は、所定のトレイの試験が完了したらすぐに、トレイを交換する機構2020が、新しいトレイを位置に迅速に移動させることを可能にする。全プロセスは、装置2001の制御下で、自動化されてもよい。装置2001は、コンピュータ、制御論理、プログラマブルロジックアレイ、ディスクリート論理等を用いて、実現することができる。試験下で薬物候補の導入はまた、薬物を保存するための容器およびトレイに薬物を注入するための分注ノズルを提供する機械を用いて自動化することもできる。図18により示されるものと同様の様式で、温度と湿度が調節されたチャンバ2005の壁内の環境は、サーモスタット、二酸化炭素センサー、および湿度センサー2014、二酸化炭素および加湿装置2012、ならびにヒーター2010を用いて、適切な温度、湿度、二酸化炭素レベル、および周辺光レベルで維持することができる。同時に、および並行した、複数の刺激装置/検出器素子の使用は、全プロセスの速度を増大させるのに特に有用であり得る。低価格の素子を用いて、複数の並列検出器例えば、図20Aおよび20Bの説明において以下に詳細されるコンポーネントを作製することができ、この複数のエミッター/検出器ユニットはまた、とても経済的に実行可能であり得る。図20Aは、本発明の例示的実施形態に従う、図19に示されるもの等のエミッター/検出器ユニットの仕組みを示す。LEDは、ウェル内に位置する細胞の感光性イオンチャネルを刺激し、フォトダイオードは、LEIAの応答を検出する。本実施形態において、装置2101は、LED2110を含み、これは、ウェル2106内の培地中の感光性トランスジェニック細胞2105を刺激するために、適切な波長、パルス周波数、および強度で、光パルス2111を生成する。LEIA例えば、電位感受性色素またはカルシウム色素の存在のため、光2116は、細胞2105から戻り、フォトダイオード2115により検出される。RH1691が使用される場合、赤色光が、蛍光を発し、フォトダイオード2115により検出される。細胞脱分極の不在下では、フォトダイオード2115により蛍光は検出されない。また、他の光検出技術は、フォトトランジスタおよびCCD素子を含む、フォトダイオードの代わりに使用することもできる。LEIAの光学画像技術との光刺激の組み合わせは、多くの異なる理由のために有用であり得る。例えば、光刺激は、刺激のための機械電極を使用する必要性を削減することにより、興奮細胞の研究を単純化することができる。いくつかの市販のLEIAは、電気的に興奮した細胞の活性化を写真測量的に示すのに適している。そのようなLEIAの1つは、カルシウム色素Fura-2であり、これは、約340nmの紫色/紫外線光で刺激することができ、この蛍光出力は、約535nmの青色-緑色光として検出可能である。別例は、電位感受性色素RH1691であり、これは、約550nmで、緑色光により刺激することができ、この蛍光出力は、約70nmで、赤色光として検出可能である。別例は、電位感受性色素ジ-4-ANEPPSであり、これは、約560nmで、青色光により刺激され、この蛍光出力は、約640nmで、赤色光として検出可能である。図20Bは、図19に示されるエミッター/検出器ユニットの別の実施形態の仕組みを示し、そこでは複数の効果が、単一ウェルの文脈内で試験される。例えば、ウェル2156中の細胞2155は、GtR3およびVChR1の両方を発現することができ、それ故に、青色光の過分極効果と琥珀色光の脱分極効果の両方に対して感受性がある。装置2151は、LED2160を含み、これは、感光性トランスジェニック細胞2155の標的プロトンポンプ例えば、GtR3の刺激のために使用される。さらなるLED2175を用いて、第2のイオンチャネルまたはポンプ例えば、VChR1を刺激することができる。さらに別のLED2180を用いて、電位感受性色素例えば、RH1691またはFura-2等のカルシウム色素を刺激することができる。それぞれのLEDは、それぞれの標的化合物の特定の波長および強度を出力するように配置することができる。一例では、LEDは、使用されたそれぞれの化合物の特定の感受性に依存して、1つを超える標的に影響を及ぼすことができる。フォトダイオード2165は、選択された電位色素の蛍光を検出し、一方、フォトダイオード2170は、選択されたカルシウム色素により蛍光を発したスペクトルに対して感受性がある。同じ細胞における複数のLEDの使用は、異なる波長で、LEIAの刺激を可能にする。また、複数のLEDを用いて、LEIAにより発せられる異なる光の波長を検出することもできる。図21Aは、本発明の例示的実施形態に従う、エミッター/検出器ユニット内で使用されるLEDエミッターを活性化するための電子回路機構を示す。制御装置2201は、トランジスタベース2205に、点灯信号2202を発生する。この点灯信号2202は、所望の光フラッシュの持続期間、維持されるか、または代替として、特定の周波数で律動的光フラッシュを生じるために点滅することができる。点灯信号2202は、従来の電流が、電源2210から、抵抗器2211を通じて、ならびにトランジスタコレクタ2207およびトランジスタエミッター2212を通じて、接地2213に流れることを可能にする。電流はまた、それによって、抵抗器2215を通じて、LED2220に通過することができる。LED2220は、光2221を発し、これは、ウェル2225上に当たる。特定例では、トランジスタは、信号2202の相互コンダクタンス増幅器として機能する。このようにして、適切な波長、強度、および周波数の光は、ウェル2225内の細胞に送達され、特定のチャネル例えば、DChRもしくはポンプ例えば、GtR3、または電気的に興奮した細胞の活性を調節するために使用される他の光活性膜構造体への刺激をもたらす。また、種々の他の回路も可能である。例えば、他の回路を、回路2206の代わりに用いて、LED2220を制御することができ、これには、トランジスタを、演算増幅器、電界効果トランジスタ、抵抗分圧器ネットワーク、トランジスタ-トランジスタ論理、プッシュプルドライバー回路、およびスイッチと置き換えることが挙げられるが、これらに限定されない。図21Bは、本発明の一実施形態に従う、エミッター/検出器ユニットによる光検出のための例示的電子回路機構を示す。制御装置2250は、任意に、特定の実施に依存して電力をフォトダイオード2255に供給することができる。フォトダイオード2255は、ウェル2257内の細胞上にLEIAからの蛍光を発した放射された光2256を受信する。受信した光は、出力信号をもたらす。この出力は、抵抗器2260を通過し、信号を調整するシュミットトリガーするヘックスインバータ2270に入力され、コンピュータ2250に入力する問題のない高または低値を提供する。光検出器の動作は、光起電モードで示されるが、この素子はまた、光伝導モードの動作においても使用することができる。当然ながら、多くの他の光検出装置および方法も使用することができ、これには、フォトトランジスタ、フォトサイリスタ、および電荷結合装置CCD素子、または素子のアレイが含まれる。代替として、図21Bの回路は、シュミットトリガーするヘックスインバータ2270を用いずに使用することができ、これは、信号強度の連続スペクトルを、コンピュータ2250へのアナログ入力、またはアナログデジタルコンバータに直接送信することができる。また、種々の他の信号調整回路も可能である。図22は、予測されたハイスループットプロセスの時間的経過2300との関連で、および本発明の一実施形態に従って、図19、20、および21に示される実施形態を用いた一連のステップを示す。ステップ2305では、標的イオンチャネルの適切な波長および強度の光が、この場合、約3秒間点滅する。同時に、LEIA刺激フラッシュ2310が、任意に、使用された特定の電位またはカルシウム色素に依存して、トリガーされ得る。このLEIA化合物は、ウェルにあらかじめ付加され得るか、または化学物質が細胞により生成される/発現されるように、細胞上に人工的に遺伝的に付与され得る。ステップ2315では、LEIAにより生じた光信号は、光検出器素子例えば、フォトダイオードにより検出される。例えば、RH1691は、約70nmで赤色光の蛍光を発する。ステップ2320では、光検出器素子への光の衝突から得られる信号は、コンピュータに返信される。これは、二元例えば、高対低信号強度であり得るか、または活性レベルの連続スペクトルに反映するように段階的であり得る。複数の光検出器を用いて、異なる波長でエネルギーを決定する場合には、これらの光検出器の個々の読み出しは、自動化プロセスの後期で適切な解釈に対して、並行して、または配列において、記録され得る。ステップ2330では、このシステムは、自動化システムにより配置されるように次のトレイを要求する。次のトレイは、ステップ2335で位置に移動し、このプロセスは、バッチ処理において全てのトレイが処理されるまで繰り返すことができる。光送達のために割り当てられた時間は異なり得、光開口型プロトンまたはイオンチャネル/ポンプ発現のレベル、ならびにその細胞集団の他のプロトンの密度および特性/イオンチャネル特性を含む因子に依存する。光受容のために割り当てられた時間は異なり得、スクリーニング期間に必要とされる精度の程度を含む因子に依存する。ウェルプレートトレイを変えるために割り当てられた時間は異なり得、自動化装置の機械的速度を含む因子に依存する。高速ニューロンが、試験される細胞として使用される場合、細胞刺激およびLEIAの検出プロセスは、ミリ秒台で達成することができる。上述のプロセスは、変動条件下で繰り返すことができる。例えば、所与の一組の細胞を、薬物が存在しない場合、続いて、1つ以上の薬物が存在する場合で、試験することができる。これらの条件下で、電気的に興奮した細胞の応答は、それにより、記録され、比較され、研究され得る。本発明は、トレイ上のそれぞれのウェルに対して少なくとも1つのエミッター/検出器および少なくとも2つの共に操作する装置とともに実装される場合、連続操作は、長時間維持することができる。図23は、本発明の一実施形態内で使用するのに適しているウェルプレートのウェル内の細胞および薬物サンプルの配置の一例を示す。この図では、ウェルプレート2401ウェル2405を含有するトレイとしても本明細書に称される例は、番号1~12で表示される列2425と、文字A~Hで表示される行2420で構成される。より具体的には、一例示的な列および行は、それぞれ、2410および2415で定義される。これらのウェルに導入される内容物の機能的なレイアウトの一例として、単一プレートの行A~Hは、2つの異なる薬物の試験のために使用してもよい。ベースライン条件を示すために、列1は、薬物は含有しないが、光学的に開口された細胞、内因性または外因性LEIAを含有してもよい。列2~6は、列ごとに1つの濃度レベルである、薬物Xの5つの異なる濃度のために使用してもよい。同様に、列7~11は、列ごとに1つの濃度レベルである、薬物Yの5つの異なる濃度のために使用してもよい。列12は、完全に使用可能であるが、この特定の例では、未使用のままである。種々のウェル中の可変要素は、試験される細胞の種類、この細胞のために試験されるイオンチャネルの種類、細胞中に置かれる薬物の種類、ウェル中に置かれる薬物の濃度、使用される特定のLEIA、およびそのウェル中の細胞に適用される光学的に開口する刺激パラメータ例えば、波長、強度、周波数、持続時間を含んでもよい。図24は、本開示の発明が、ハイスループットの薬物スクリーニングを促進するより大型のシステム内で利用され得る状況を示す。ウェルプレート2506は、ウェル2505を含有する。これらは、ベルトコンベア、ロボット運搬装置、または他の送達機構等の装置であり得るコンベヤ2520により前方に運ばれる。ピペット2510は、ロボット部材2515中に保持され、適切な数の培養細胞および培地をウェル2505に注入する働きをする。続いて、ウェルプレート2506は、コンベヤ2520の下方へ移動され、ロボット部材2515に類似し、ピペットも含有するロボット部材2525は、適切な量のLEIAをウェル2505に注入する。次いで、コンベヤ2520は、ウェルプレート2505をスクリーニングチャンバ2530に持ち込む。図17、図18A、図18B、図19A、および図19Bに関連して記載されるもの等のエミッター/検出器装置は、チャンバ2530内に位置する。さらに、図20Aおよび図20Bに記載されるプロセスの部分は、このチャンバ内で起こり得る。続いて、ウェルプレート2535は、コンベヤ2540によりスクリーニングチャンバ2530から取り出され、2545で廃棄される。代替的な一実施形態において、1つ以上のロボット装置は、ウェルプレート2506の位置にピペット2510、スクリーニングチャンバ2530等を移動し、その逆とはならないようにしてもよい。上記の考察と一致して、例示的スクリーニング方法は、サンプルを交換する必要なしに、複数のデータ点の収集を含むこともあり得る。サンプルの制御は、高速シャッターで活性化する光を単に点滅させることにより同じサンプルの調製に反転できるため、同じサンプルを再使用することができる。さらに、一連のパターンの刺激を同じ細胞サンプルに提供することができるため、異なるサンプル調製物にわたる差異に関して懸念することなしに、薬物の効果についての試験を行うことができる。励起のレベルを調節することにより例えば、光のないレベルから高いまたは最大強度のレベルに増加することにより、一連の膜電位にわたる薬物の効果を試験することができる。これにより、過分極、自然、または脱分極膜電位中、効果的である薬物の特定を可能にする。本明細書に記載の細胞株は、ハイスループットの様式で、薬物候補を詳細に特性付けるのに特に有用であり得る。光学制御は、比較的高速であり、それにより、活性化のより生理学的な形態下で、薬物の活性を試験することができる。例えば、脱分極および/または過分極の異なる周波数を用いて、神経活動の生理学的な形態下で、いかに薬物がチャネルと相互作用するかを決定することができる。場合によっては、このプロセスは、細胞株への高価な化学染料の適用なしで達成することができる。本明細書に考察される種々の性質と関連して、本発明の種々の実施形態の使用は、扱いにくい機械的操作および液体の処理の必要性を排除することにより、スクリーニングスループットを改善するために特に有用であり得る。種々の実施形態はまた、同じサンプルを用いてスクリーニングアッセイを繰り返し可能にすることと、化学的に基づいた蛍光方向の必要性を排除することによりスクリーニング費用を軽減することと、高い時間精度および低い信号アーチファクトを生じることと電圧操作の光学的性質による、刺激のために使用される光強度を減衰させることにより脱分極のレベルを調節することと、パルス光パターンの使用を通じてイオンチャネルにおける薬物の調節の動力学を解明すること、にも有用であり得る。複数の単独で制御可能な励起タンパク質および抑制性タンパク質の存在は、種々の疾患の治療のための応用、および複数のそれぞれの光学的波長に応答するように選択することができる複数の光応答性タンパク質の使用が挙げられるが、これらに限定されない、種々の応用への道を開く。必ずしも明確に提示されないが、抑制は、応用において、励起と組み合わせて、励起に加えて、または励起の代わりに使用することができる。単一成分のタンパク質のファミリーは、複数の光の波長および強度に応答することが示されている。本発明の態様は、さらなる光学的波長および/もしくは個々に制御可能なタンパク質チャネルを可能にするさらなる変異体ならびに/または配列検索を可能にする。光学的な刺激におけるバリエーション例えば、波長、強度、または持続時間プロファイルも使用することができる。例えば、刺激プロファイルは、2つの異なるイオンチャネルタンパク質の励起波長における重なりを利用して、両方のタンパク質を同時に励起させることができる。1つのそのような例では、タンパク質は、異なるレベルの責任を有してもよい。したがって、神経への応用では、1組のイオンチャネルは、第2の組のイオンチャネルと比較して異なる成功率でスパイクを生成し得る。同様に、2つの異なるイオンチャネルまたはポンプの抑制性波長における重なりは、両方のタンパク質を同時に抑制させる。あるいは、複数の光源は、所望の組み合わせにおいて光応答性タンパク質の刺激を可能にするが、他のタンパク質を刺激しないまま残すように使用することができる。本発明の多くのヒトへの応用は、それらの使用前に政府の承認が必要である。例えば、遺伝子治療のヒトへの使用は、そのような承認が必要になり得る。しかしながら、ニューロンの同様な遺伝子治療新生物に対して感受性のない非増殖細胞は急速に進んでおり、ヒトの脳へのウイルス遺伝子送達を含む、現行の、FDAに承認された臨床試験が既に進行中である。これは、幅広い応用への本発明の種々の実施形態の使用を促すであろう。以下に、そのような応用および実施形態の例の一部を非網羅的に挙げる。中毒は、報酬および期待を含む種々の脳機能に関連している。さらに、中毒を引き起こす原因は、個体間で異なり得る。一実施形態によれば、中毒、例えば、ニコチン中毒を、島の小さな領域を光遺伝学的に安定化することで治療してもよい。任意に、脳機能イメージング、例えば、cued-statePETまたはfMRIを用いて、島表面上の介入のための正確な標的スポットを決定するために、代謝亢進焦点の位置を決めてもよい。側坐核および中隔の光遺伝学的興奮は、物質の使用に頼る必要なく、患者に報酬および快楽を与えることができるため、中毒治療の鍵を握っている可能性がある。逆に、側坐核および中隔の光遺伝学的安定化を用いて、中毒と関連する薬物渇望を低下させることができる。代替的な一実施形態において、前帯状回BA32の膝genuで観察される代謝亢進活性の光遺伝学的安定化を用いて、薬物渇望を低下させることができる。プロオピオメラノコルチンPOMCおよびコカインアンフェタミン調節転写産物CARTのペプチド生成物を含有する視床下部内側部の弓状核内の細胞の光遺伝学的安定化を用いて、薬物中毒行動を減少させることもできる。この点に関するさらなる情報については、NaqviNH,RudraufD,DamasioH,BecharaA.Damagetotheinsuladisruptsaddictiontocigarettesmoking.Science.2007Jan26;3155811:531-534を参照してもよく、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。ソマトスタチンを分泌する視床下部室周核hypothalamicperiventricularnucleusの神経内分泌ニューロンの光遺伝学的刺激を用いて、例えば、末端肥大症において、下垂体前葉からの成長ホルモンの分泌を抑制することができる。ソマトスタチンまたは成長ホルモンを分泌する神経内分泌ニューロンの光遺伝学的安定化を用いて、成長および身体的発達を増進することができる。正常な加齢に伴う変化の中に、40または50代以後の、血清成長ホルモンレベルの急激な低下が挙げられる。したがって、脳室周囲核の光遺伝学的安定化により、加齢に伴う身体的な衰えを低減し得る。視床下部の腹内側核の光遺伝学的安定化、特に、弓状核のプロオピオメラノコルチンPOMCおよびコカインアンフェタミン調節転写産物CARTの光遺伝学的安定化を用いて、食欲を増加させることができ、それにより、神経性食欲不振を治療することができる。あるいは、視床下部の外側核の光遺伝学的刺激を用いて、食欲および摂食行動を増加させることができる。側頭葉、NBMマイネルト基底核および後帯状回BA31を含む、患部のコリン作動性細胞における光遺伝学的興奮は、刺激をもたらし、ひいては、悪化している領域に対し、神経栄養性の動因neurotrophicdriveを与える。この患部は、脳内で広範囲に広がっているため、埋め込み型電極を用いての類似の治療は、光遺伝学的アプローチよりも実現可能性が低いことがある。不安障害は、通常、左側頭皮質および前頭皮質ならびに扁桃体における活性増加に関連し、これは、不安が解消されるにつれ正常に向かう。したがって、患部の左側頭部および前頭部ならびに扁桃体は、光遺伝学的安定化によって治療して、これらの領域の活性を抑えることができる。正常な生理機能では、受けた光に応答して脱分極する、網膜の光感受性神経系細胞は、その受けた光のパターンの視覚地図を作り出す。光遺伝学的イオンチャネルを用いて、身体の多くの部分でこのプロセスを模倣することができ、眼も例外ではない。網膜損傷に起因する視覚障害または失明の場合、埋め込み型装置からの閃光パターンよりもむしろ天然の周辺光を利用する、機能的に新しい網膜を成長させることができる。成長させた人工網膜を、本来の網膜の位置視覚皮質に戻る導管としての機能を果たす視神経を活用することができるに配置してもよい。あるいは、この人工網膜は、例えば、前頭等の別の位置に配置してもよいが、但し、脱分極信号のための導管が、光遺伝学的センサーマトリックスからのコード化情報を解読できる皮質組織へと伝達されることを条件とする。視覚皮質の視覚経路の下流を刺激することにより、皮質盲を治療することもできる。刺激は、視覚皮質の上流で、または人工の光センサーにより生成された視覚的データに基づくであろう。頻脈の治療は、CNXまたは迷走神経を含む、副交感神経系繊維への光遺伝学的刺激により達成することができる。これは、洞房結節SAnodeの速度を低下させ、それにより、心拍数および収縮力を低下させる。同様に、脊髄神経T1~T4内の交感神経系繊維の光遺伝学的安定化は、心臓を遅くする働きをする。病的徐脈の治療のためには、迷走神経の光遺伝学的安定化またはT1~T4中の交感神経系繊維の光遺伝学的刺激が、心拍数を増加させる働きをする。洞房結節より速い異常な電気的病巣aberrantelectricalfociに起因する不整脈は、適度な光遺伝学的安定化で異常な電気的病巣を治療することにより抑制することができる。これにより、治療される組織内の固有の発火速度を低下させ、かつ、洞房結節に心臓の電気系のペーシングする役割を取り戻すことを可能にする。同様な方法で、あらゆる種類の心不整脈が治療され得る。心筋症またはうっ血性心不全で起きる心臓組織の変性も、本発明を用いて治療することができ、残った組織を本発明の種々の実施形態を用いて興奮させることができる。前頭葉、頭頂葉、および海馬を含む脳領域の光遺伝学的興奮刺激は、処理速度を上昇させ、記憶力を向上させ、また、神経前駆細胞の発達刺激を含むニューロンの成長および相互接続を刺激することができる。一例として、本発明のそういった応用の1つは、ほぼ植物ほとんど意識が無い状態から患者を抜け出させることを目的とした、視床における標的ニューロンの光遺伝学的興奮刺激を対象とする。標的視床ニューロンの膜における光開口型イオンチャネルまたはポンプの増殖がもたらされる。次いで、光のフラッシュを向けることにより、例えば、同じ経路によってもアクセスできる光学部品を介してこれらの修飾されたニューロンを刺激し、その結果、標的ニューロンおよび/または周囲の細胞の機能を調節する。電極による治療を用いた適切な調節技術に関するさらなる情報について、または、そのような患者の関連脳領域に関するさらなる情報については、SchiffND,GiacinoJT,KalmarK,VictorJD,BakerK,GerberM,FritzB,EisenbergB,O’ConnorJO,KobylarzEJ,FarrisS,MachadoA,McCaggC,PlumF,FinsJJ,RezaiARBehavioralimprovementswiththalamicstimulationafterseveretraumaticbraininjury,Nature,Vol.448,Aug2,2007,pp.600-604を参照され得る。代替的な一実施形態において、光遺伝学的興奮を用いて、例えば、うっ血性心不全等の状況における弱った心筋を治療することができる。心臓壁が薄く伸張した脆弱な状態にあり、また、電極と筋肉との間に均等に分布された電気的連結の提供が困難であるため、CHFの不全心筋の電気的に補助するのは、一般的には実用的でない。このため、心筋収縮性を増大させるための、従来の好ましい方法には、ベータ作動薬等の薬理学的方法、および心室補助装置等の機械的アプローチ、のいずれもが含まれた。本発明のこの実施形態において、心臓の周囲の包被jacketの内表面上の、または、そうでなければ患部心臓壁に対置された発光要素により、弱った心筋へと、光遺伝学的興奮が、送達される。光は、当該技術分野において周知の手段により拡散させて、筋肉の広い領域を平滑に覆ってもよく、それにより、各光パルスにより収縮が促される。帯状回膝下野Cg25の光遺伝学的安定化に、埋め込み型装置を用いて黄色光を適用してもよい。その目的は、MaybergHSetal.,DeepBrainStimulationforTreatment-ResistantDepression,Neuron,Vol.45,651-660,March3,2005,pp.651-660に教示されているのと同様な様式で標的活性を抑制することにより、うつ病を治療することであり、これは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。代替的な一実施形態において、光遺伝学的興奮刺激法は、Schlaepferetal.,DeepBrainstimulationtoRewardCircuitryAlleviatesAnhedoniainRefractoryMajorDepression,Neuropsychopharmacology2007,pp.1-10に教示されているのと同様な様式で、その領域における活性を増加させることであり、これは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。さらなる別の実施形態において、左背側前頭前皮質LDPFCを、光遺伝学的興奮刺激法による標的とする。5~20HzでのLDLPFCのペーシングは、連結している回路を介してCg25の活性を低下させる働きをしているこの構造の基礎代謝レベルを上昇させる働きをし、そのプロセスでうつ病が改善される。右背外側前頭前皮質RDLPFCの抑制も、効果的なうつ病治療戦略である。これは、RDLPFCにおける光遺伝学的安定化により達成することができ、あるいは、抑制は、光遺伝学的興奮刺激を用い、かつ、ゆっくりとした速度例えば、1Hz以下でパルスを発することによっても達成することができる。迷走神経刺激VNSは、光遺伝学的アプローチを用いて改善することができる。光遺伝学的興奮の使用を、例えば、節状神経節および頚静脈神経節等の、脳への求心性迷走神経のみを刺激するために用いてもよい。脳からの遠心路は、このアプローチによる刺激を受けないため、喉の不快感、咳、嚥下困難、および嗄声を含む、VNSの副作用の一部が除去される。代替的な一実施形態において、海馬を光遺伝学的に興奮させてもよく、これは、樹状突起および軸索発芽の増加ならびに海馬の全体的な成長を導く。本発明を用いて治療され得るうつ病に関連する他の脳領域としては、扁桃体、側坐核、眼窩前頭皮質、および眼窩内側orbitomedial皮質、海馬、嗅皮質、ならびに、ドーパミン作動性、セロトニン作動性、およびノルアドレナリン作動性の突出が挙げられる。光遺伝学的アプローチを用いて、海馬等の構造体を介して活性の広がりを制御して、抑うつ症状を制御することができ得る。生存可能なアルファおよびベータ細胞集団が膵ランゲルハンス島中に存在する限り、膵島は、糖尿病の治療の標的となり得る。例えば、手作業で、または閉ループグルコース検出システムにより決定して血清グルコースが高い場合、光遺伝学的興奮を用いて膵臓中のランゲルハンス島のベータ細胞からのインスリン放出を引き起こすことができ、その一方で、光遺伝学的安定化を用いて膵臓中のランゲルハンス島のアルファ細胞からのグルカゴン放出を妨げる。逆に、手作業で、または閉ループグルコース検出システムにより決定して血糖が低すぎる場合、光遺伝学的安定化を用いてインスリンのベータ細胞分泌を停止させることができ、かつ、光遺伝学的興奮を用いてグルカゴンのアルファ細胞分泌を増加させることができる。てんかんの治療のために、てんかん発作性活性を停止させるかまたはブロックすることは、光遺伝学的アプローチによく適している。ほとんどのてんかん患者は、てんかん病巣により、定型的な活性の広がりのパターンを有する。光遺伝学的安定化を用いて、広がる前に異常活性を抑制するか、またはその経過の早期にそれを打ち切ることができ得る。あるいは、光遺伝学的興奮刺激による興奮性組織の活性化を、一連の意図的な非同時的パターンで送達して、出現する発作活性を中断させることができ得る。別の代替案は、同様の結果を得るためのGABA作動性ニューロンにおける光遺伝学的興奮刺激の活性化に関連する。視床中継を、異常なEEGパターンが検出される場合に引き起こされる光遺伝学的安定化による標的としてもよい。別の実施形態は、胃腸障害の治療に関連する。消化器系は、それ自体の、感覚ニューロン、運動ニューロン、および介在ニューロンを含有する半自律神経系を有する。これらのニューロンは、GI管の動きも制御し、ならびに腸内の特定の細胞が酸、消化酵素、ならびに、ガストリン、コレシストキニン、およびセクレチンを含むホルモンを放出することを引き起こす。これらの細胞産物のいずれかの分泌不全を含む症候群は、産生細胞型、またはそれらの活性を促進するニューロンの光遺伝学的刺激により治療することができる。逆に、過剰な内分泌物および外分泌物を作り出される症候群は、光遺伝学的安定化を用いて治療することができる。便秘特に、脊髄損傷のある患者の便秘から巨大結腸症にまで及ぶ、腸運動低下障害は、腸内の運動ニューロンの光遺伝学的興奮により治療することができる。いくつかの形態の過敏性腸症候群を含む腸運動過剰障害は、運動を制御するニューロンの光遺伝学的安定化により治療してもよい。神経原性の胃流出路閉塞は、胃の幽門部におけるニューロンおよび筋組織の光遺伝学的安定化により治療することができる。運動性低下症候群hypomobilitysyndromeに対する1つの代替的アプローチは、腸壁中の伸張感受性ニューロンstretch-sensitiveneuronに対して光遺伝学的興奮を与え、それにより、その腸がいっぱいになっており、排出emptyingを必要としているという信号を増加させることである。この同じパラダイムで、腸の運動過剰症候群hypermobilitysyndromesofthegutに対する1つのアプローチは、下部GI中の伸張受容体ニューロンstretchreceptorneuronに対して光遺伝学的安定化を提供し、それにより、その腸が空であり、排出を必要としていなかったという偽の合図falsecueを与える。明白なfrank便失禁の場合には、内括約筋および外括約筋の制御を改善することが、この管全体の運動性を低下させるのに好ましいことがある。患者が便を体内にとどめておく必要がある間は、内肛門括約筋の光遺伝学的興奮は、保持力を提供する。光遺伝学的刺激を外括約筋に与えることにより、さらなる自制を与えることができる。患者が排便する必要があるときには、その光遺伝学的刺激を休止させるか、または光遺伝学的安定化を追加するかのいずれかによって、内肛門括約筋、次いで外肛門括約筋を弛緩させなければならない。伝音難聴は、光学的蝸牛インプラントの使用により治療することができる。一旦、この蝸牛が光遺伝学的刺激に対して準備されると、閃光を発する蝸牛インプラントを用いてもよい。感音難聴は、聴覚路における下流の標的の光学的な刺激を介して治療することができる。本発明の別の実施形態は、高血圧等の血圧障害の治療を対象とする。例えば、大動脈大動脈体および大動脈傍体および頸動脈頚動脈小体等の領域にある圧受容器および化学受容器は、迷走神経CNXを介した求心性神経、および他の経路を、髄質および橋、特に孤束および孤束核、へと送ることにより、血圧および呼吸の調整に関与する。頚動脈小体、大動脈体、大動脈傍体の光遺伝学的興奮を用いて、高血圧という偽のメッセージを、孤束核および孤束へ送り、血圧を低下させるべきであるという報告をさせることができる。また、脳幹の適切な部分への直接的な光遺伝学的興奮または安定化を用いて血圧を下げることもできる。これと反対のモダリティは、光遺伝学的アプローチを、昇圧薬pressorとして働かせ、それにより血圧が上昇する。また、迷走神経の光遺伝学的興奮を介して、または脊髄神経T1~T4内の交感神経繊維の光遺伝学的安定化によっても、同様の効果を達成することができる。代替的な一実施形態において、高血圧は、心臓の光遺伝学的安定化により治療することができ、それにより、心拍出量の減少および血圧の低下がもたらされる。別の実施形態によれば、副腎皮質内のアルドステロン産生細胞の光遺伝学的安定化を用いて、血圧を低下させることができる。さらなる別の代替的な実施形態において、高血圧は、血管平滑筋の光遺伝学的安定化により治療することができる。活性化している光は、末梢血管床へと経皮的に通過させることができる。別の例示的実施形態は、視床下部‐下垂体‐副腎系障害の治療を対象とする。甲状腺機能低下症の治療では、視床下部室傍核および視床下部前核中の小細胞性神経内分泌ニューロンの光遺伝学的興奮を用いて、甲状腺刺激ホルモン放出ホルモンTRHの分泌を増加させることができる。TRHは、次いで下垂体前葉を刺激し、甲状腺刺激ホルモンTSHを分泌させる。逆に、甲状腺機能亢進症は、小細胞性神経内分泌ニューロンの光遺伝学的安定化により治療することができる。副腎不全またはアディソン病の治療には、視索上核および室傍核中の小細胞性神経内分泌ニューロンの光遺伝学的興奮を用いて、バソプレシンの分泌を増加させることができ、バソプレシンは、副腎皮質刺激ホルモン放出ホルモンCRHに補助されて、下垂体前葉を刺激して、副腎皮質刺激ホルモンACTHを分泌させる。クッシング症候群は、過剰なACTH分泌によって度々引き起こされるが、上述の同じ生理学的連鎖の効果を介して、視索上核の小細胞性神経内分泌ニューロンの光遺伝学的安定化により治療することができる。弓状核の神経内分泌ニューロンは、ドーパミンを産生し、これが、下垂体前葉からのプロラクチンの分泌を抑制する。したがって、高プロラクチン血症は、光遺伝学的興奮を介して治療することができ、一方、低プロラクチン血症は、弓状核の神経内分泌細胞の光遺伝学的安定化により治療することができる。例えば、不安障害等の自律神経過剰hyperautonomic状態の治療では、副腎髄質の光遺伝学的安定化を用いて、ノルエピネフリンの分泌量outputを減少させることができる。同様に、副腎髄質の光遺伝学的刺激を、例えば、重症喘息を患っている人または慢性的な眠気として現れる障害を有する人等のアドレナリンの急増が必要な人に用いてもよい。副腎皮質の光遺伝学的刺激は、コルチゾール、テストステロン、およびアルドステロンを含む化学物質の放出を引き起こす。副腎髄質とは違い、副腎皮質は、下垂体および視床下部、肺、ならびに腎臓から分泌される神経内分泌性ホルモンからの指令を受ける。それにはかかわらず、副腎皮質は、光遺伝学的刺激に対し従順である。副腎皮質のコルチゾール産生細胞の光遺伝学的刺激を用いて、アディソン病を治療することができる。副腎皮質のコルチゾール産生細胞の光遺伝学的安定化を用いて、クッシング病を治療することができる。テストステロン産生細胞の光遺伝学的刺激を用いて、女性における性的関心の障害を治療することができ、同細胞の光遺伝学的安定化を用いて、女性における顔ひげを減少させることができる。副腎皮質内のアルドステロン産生細胞の光遺伝学的安定化を用いて、血圧を低下させることができる。副腎皮質内のアルドステロン産生細胞の光遺伝学的興奮を用いて、血圧を上昇させることができる。特定の患部脳領域の光遺伝学的興奮刺激を用いて、処理速度を増加させ、また、例えば、神経前駆細胞の成熟刺激を含むニューロンの増殖および相互接続を刺激することができる。そのような使用は、精神遅滞の治療に特に有用であり得る。本発明の別の実施形態によれば、種々の筋肉疾患および損傷を治療することができる。筋損傷、末梢神経損傷、およびジストロフィー疾患に関連した麻痺は、収縮を引き起こすための光遺伝学的興奮、および弛緩を引き起こすための光遺伝学的安定化により治療することができる。この後者の、光遺伝学的安定化アプローチを介した弛緩を用いて、筋肉の消耗を防止し、緊張を維持し、また、対立筋群が収縮するので、協調運動が可能となり得る。同様に、明白な痙縮は、光遺伝学的安定化を介して治療することができる。末梢神経切断、脳卒中、外傷性脳損傷、および脊髄損傷等のような広範な領域で、新たなニューロンの増殖を促進し、かつ、他のニューロンとの、およびそれらの標的組織との機能的ネットワークの中へそれらが統合されることを助ける必要性がある。新たなニューロン経路neuronaltractの再成長を、光遺伝学的興奮を介して促すことができ、これは、幹細胞に信号を送って、軸索および樹状突起を発芽させ、かつ、それら自身をネットワークと統合させるのに役立つ。電極ではなく光遺伝学的技術の使用は、損傷を受けていない組織による信号の受け取りを防止し、かつ、電極から発生する電流のような人工的な信号によってではなく、発生中のニューロンによって築かれた連絡網communicationによる新たな標的組織の成長を確実にするのに役立つ。肥満は、視床下部の腹内側核への光遺伝学的興奮、特に、弓状核のプロオピオメラノコルチンPOMCおよびコカインアンフェタミン調節転写産物CARTへの光遺伝学的興奮により治療することができる。代替的な一実施形態において、肥満は、視床下部の外側核の光遺伝学的安定化を介して治療することができる。別の実施形態において、レプチン産生細胞への、または視床下部内のレプチン受容体を有する細胞への光遺伝学的刺激を用いて、食欲を低下させることにより肥満を治療することができる。前嚢anteriorcapsuleへの破壊病変、およびその領域に対する類似のDBSは、重度の難治性の強迫性障害48OCD48を治療する、確立された手段である。内包前脚への、またはOCDが軽減するにつれて代謝の低下を示す部位例えばBA32およびCg24等への、光遺伝学的安定化を用いて、このようなアプローチを模倣してもよい。慢性疼痛を、本発明の別の実施形態を用いて治療することができる。電気刺激法としては、局所的な末梢神経刺激、局所的な脳神経cranialnerve刺激、および閾値下の運動皮質刺激が挙げられる。適切な光遺伝学的アプローチには、局所的な有痛性部位における光遺伝学的安定化が含まれる。プロモータ選択に注意することにより、他の感覚および運動繊維への影響を確実に回避し得よう。一次運動皮質における介在ニューロンの選択的な光遺伝学的興奮によっても、効果的に疼痛を軽減し得る。また、感覚系視床特に内側視床核、脳室周囲灰白質、および腹側縫線核における光遺伝学的安定化を用いて、疼痛の軽減をもたらすことができる。代替的な一実施形態において、標的化戦略としてパルブアルブミンを発現する細胞を標的とする光遺伝学的安定化を用いて、疼痛を、サブスタンスP産生を減少させることにより治療することができる。内因性オピオイドの放出は、光遺伝学的興奮を用いて側坐核の活性を上昇させることにより達成され得る。代替的な一実施形態において、視床下部内側部の弓状核のPOMCニューロンを光遺伝学的に興奮させたとき、ベータエンドルフィンが増加し、うつ病および慢性疼痛に対する実行可能な治療アプローチが提供される。境界型および反社会型を含むある種の人格障害は、前頭葉機能低下hypofrontalityを含む脳障害における局所的欠陥を示す。これらの領域の直接的または間接的な光遺伝学的興奮は、症状の改善をもたらすことが予想される。扁桃体における活動の異常なバーストが、境界性人格障害の1つの症状である突然の自発的な激怒、ならびに他の状態を引き起こすことも知られているが、これには、扁桃体の光遺伝学的安定化が有益であり得る。光遺伝学的アプローチは、例えば、扁桃体、線条体、および前頭皮質を含む、脳の異なる部分同士の連絡および同期化を改善するであろうが、このことは衝動性の軽減および洞察力の改善に役立つであろう。外傷後ストレス障害PTSDの扁桃中心amygdalo‐centricモデルは、扁桃体の過覚醒ならびに内側前頭前皮質medialprefrontalcortexおよび海馬によるトップダウン制御が不十分であることが関連していると提唱している。したがって、PTSDは、扁桃体または海馬の光遺伝学的安定化により治療することができる。統合失調症は、幻聴を含む異常を特徴とする。これらは、光遺伝学的安定化を用いた聴覚皮質の抑制により治療できる可能性がある。統合失調症に付随する前頭葉機能低下は、前頭部患部における光遺伝学的興奮により治療できる可能性がある。光遺伝学的アプローチは、脳の異なる部分同士の連絡および同期化を改善し得、このことは、自己生成したself‐generated刺激を外来性のものと解してしまう誤帰属misattributionの軽減に役立ち得る。プロオピオメラノコルチンPOMCおよびコカインアンフェタミン調節転写産物CARTのペプチド生成物を含有する視床下部内側部の弓状核内の細胞の光遺伝学的安定化を用いて、強迫的性行動の低減させることができる。プロオピオメラノコルチンPOMCおよびコカインアンフェタミン調節転写産物CARTのペプチド生成物を含有する視床下部内側部弓状核内の細胞の光遺伝学的興奮を用いて、性的欲求の障害の症例の治療において、性的関心を増加させることができる。性的欲求低下障害の治療では、精巣および副腎によるテストステロン産生は、下垂体の光遺伝学的興奮により増加させることができる。側坐核の光遺伝学的興奮は、無オルガスム症の治療に用いることができる。視交叉上核は、睡眠/覚醒サイクルを調整する働きをするメラトニンを分泌する。視交叉上核への光遺伝学的興奮を用いて、睡眠を誘導し、メラトニン産生を増加させることができ、それにより不眠症を治療することができる。オレキシンヒポクレチンニューロンは、覚醒状態を促進するために、多数の脳核を激しく興奮させる。オレキシン産生細胞集団の光遺伝学的興奮を用いて、ナルコレプシーおよび慢性的な日中の眠気を治療することができる。視索上核の光遺伝学的刺激を用いてオキシトシンの分泌を誘発することができ、視索上核の光遺伝学的刺激を用いて出産の最中に分娩parturitionを促進することができ、また、視索上核の光遺伝学的刺激を用いて社会的愛着における障害disorderofsocialattachmentを治療することができる。筋肉の麻痺と同様に、脊髄損傷により求心路が遮断された運動機能は、収縮を引き起こすための光遺伝学的興奮、および弛緩を引き起こすための光遺伝学的安定化により治療することができる。この後者の、光遺伝学的安定化アプローチを介した弛緩を用いて、筋肉の消耗を防止し、緊張を維持し、また、対立筋群が収縮するので、協調運動も可能となり得る。同様に、明白な痙縮は、光遺伝学的安定化を介して治療することができる。新たな脊髄ニューロン路の再成長を、光遺伝学的興奮を介して促すことができ、これは、幹細胞に信号を送って、軸索および樹状突起を発芽させ、かつ、それら自身をネットワークと統合させるのに役立つ。脳卒中障害strokedeficitには、人格変化、運動障害、感覚障害、認知欠損、および情緒不安定が含まれる。脳卒中障害を治療するための1つの戦略は、興奮性結合から求心路が遮断された脳および身体構造に、光遺伝学的刺激を与えることである。同様に、抑制性結合から求心路が遮断された脳および身体構造に、光遺伝学的安定化能を与えることができる。トゥレット症候群の根底にある生物病理は、皮質領域および皮質下領域、視床、大脳基底核、ならびに前頭皮質におけるドーパミン伝達の相動性のphasic機能障害である、ということが研究により示されている。治療を提供するために、患部領域を、まず、脳機能イメージングおよび脳磁図MEGを含む技術を用いて特定することが好ましい。具体的に特定されてもされなくても、候補経路の光遺伝学的安定化を用いて、運動性チックを抑制することができる。装置パラメータの、移植後実験的empirical試験により、いずれの部位で光遺伝学的安定化がなされ、またいずれが継続の必要性がないかが明らかとなる。尿失禁または便失禁の障害を治療するために、光遺伝学的安定化を、括約筋に対して、例えば、膀胱排尿平滑筋の光遺伝学的安定化またはその筋肉の神経支配を介して、用いることができる。排尿が必要なときは、これらの光遺伝学的プロセスをオフにするか、またはあるいは、外尿道括約筋への光遺伝学的安定化、および膀胱排尿筋の光遺伝学的興奮またはその神経支配とともに、逆進させてもよい。膀胱が求心路遮断されている場合、例えば、ヒトにおける脊髄癆等の背根の疾患により仙骨背根sacraldorsalrootが、切断または破壊されている場合には、膀胱の全ての反射収縮が消失し、膀胱は膨張する。直接的に筋肉の光遺伝学的興奮を用いて、排尿に対する緊張を回復させ、腎臓損傷を防止し、また、排尿プロセスを補助することができる。膀胱が、神経中枢から隔離されて、動きに対して過敏hypersensitiveになっている場合、したがって、失禁しやすくなっている場合、器官のこの反応性を最小限に抑えるために膀胱筋への光遺伝学的安定化を用いることができる。ニューロンの、ある所定の集団、例えば、ある病気の病状に関連するもの等を選択的に興奮させる/抑制するために、いくつかの戦略を用いて、特定の集団に対する光遺伝学的タンパク質/分子を標的とすることができる。本発明の種々の実施形態については、遺伝子の標的化を用いて、種々の光遺伝学的タンパク質または分子を発現させることができる。そのような標的化には、例えば、プロモータ例えば、パルブアルブミン、ソマトスタチン、コレシストキニン、GFAP、エンハンサー/サイレンサー例えば、サイトメガロウイルス即時型初期エンハンサー、および他の転写または翻訳調節因子例えば、ウッドチャック肝炎ウイルス転写後調節因子等の遺伝学的な制御因子を介して光遺伝学的タンパク質/分子の標的発現が含まれる。プロモータエンハンサー調節因子の組み合わせの順列を用いて、光遺伝学的プローブの発現を、遺伝学的に定義された集団に限定することができる。本発明の種々の実施形態は、空間的/解剖学的な標的化を用いて実施してもよい。そのような標的化は、ニューロンの突出パターン、ウイルス、または、遺伝情報DNAプラスミド、フラグメント等を保持する他の試薬が、ニューロンのある所定の集団が突出する領域へと、局所的に送達されることがある、という事実を巧みに利用したものである。この遺伝物質は、その後、輸送されて該ニューロンの細胞体へと戻され、光遺伝学的プローブの発現を仲介する。あるいは、局所領域中の細胞を標識することが望ましい場合には、目的の領域にウイルスまたは遺伝物質を局所的に送達して、局在化された発現を仲介させてもよい。本発明の1つ以上の実施形態を実施する際には、種々の遺伝子送達システムが有用である。そのような送達システムの1つは、アデノ随伴ウイルスAAVである。AAVを用いて、プロモータ光遺伝学的プローブカセットを、目的の特異的領域へと送達することができる。プロモータの選択により、ニューロンの、ある特定の集団における発現が促されることとなる。例えば、CaMKIIaプロモータを使用することにより、光遺伝学的プローブの、興奮性ニューロン特異的発現が促される。AAVは、少なくとも1年以上にわたる、光遺伝学的プローブの長期的な発現を仲介する。さらなる特異性を達成するために、AAVは、それぞれが異なる細胞型に対して異なる栄養性trophismを有する特異的な血清型1、2、3、4、5、6、7、および8を有する偽型pseudotypedであってもよい。例えば、血清型2および5は、良好なニューロン特異的栄養性を有することが知られている。別の遺伝子送達機構は、レトロウイルスの使用である。HIVまたは他のレンチウイルス由来レトロウイルスベクターを用いて、プロモータ光遺伝学的プローブカセットを、目的の特異的領域へと送達することができる。また、レトロウイルスも、細胞を標識するための、それらの軸索の突出パターンに基づく逆行性輸送を達成するために、狂犬病ウイルスエンベロープ糖タンパク質を有する偽型であってもよい。レトロウイルスは、宿主細胞のゲノムと一体化するので、光遺伝学的プローブの永続的発現を仲介することができる。非レンチウイルス由来レトロウイルスベクターを用いて、分裂細胞を選択的に標識することができる。Gutlessアデノウイルスおよび単純ヘルペスウイルスHSVは、2本鎖DNAに基づくウイルスであり、これらを用いて、プロモータ光遺伝学的プローブカセットを、脳の特異的領域へと送達することができる。HSVおよびアデノウイルスは、よりずっと大きなパッケージング容量を有しており、よりずっと大きなプロモータ因子を収容可能であり、それらを用いることで、光遺伝学的プローブとともに、複数の光遺伝学的プローブまたは他の治療用遺伝子を送達することもできる。また、局所的エレクトロポレーションを用いて、ニューロンを一時的にトランスフェクションすることもできる。DNAプラスミドまたはフラグメントを、脳の特定の領域に局所的に送達することができる。穏やかな電流を印加することにより、周囲の局所細胞は、DNA物質と光遺伝学的プローブの発現とを受けることとなる。別例では、リポフェクションが、遺伝物質を脂質試薬と混合することにより用いられ、次いで、引き続き脳へと注入されて、局所細胞のトランスフェクトを仲介することができる。種々の実施形態には、種々の制御因子の使用が含まれる。遺伝学的な制御因子に加えて、他の制御因子特に、化学的な磁気刺激または赤外線照射に対して感受性である活性を有する、プロモータおよびエンハンサーを用いて、光遺伝学的プローブの、時間的に制御された発現を仲介することができる。例えば、転写活性が赤外線照射の影響を受けやすいプロモータにより、集束照射を用いて、所望の時間のみ、局所領域において光遺伝学的プローブの発現を微調整することを可能にする。パーキンソン病は、CaMKIIα等の興奮特異的プロモータを用いて、視床下核STNまたは淡蒼球内節GPiのいずれかにおけるグルタミン酸作動性ニューロンにて光遺伝学的安定化を発現させることにより治療することができ、光遺伝学的安定化を適用することができる。全ての細胞型が影響を受ける電気的な調節とは異なり、グルタミン酸作動性のSTNニューロンのみが抑制されるであろう。本発明の態様は、神経回路または神経疾患のモデルを試験することを対象とする。このモデルは、入力信号の関数として回路の出力応答を決定することができる。出力応答は、複数の異なる測定可能な特性を用いて評価することができる。例えば、特性は、下流ニューロンの電気的反応および/または患者の行動応答を含むことができる。モデルを試験するために、モデルの入力位置で光遺伝子的プローブを発現させる。光遺伝子的プローブを刺激し、出力特性をモニターし、モデルから予測される出力と比較する。ある実現形態において、光遺伝子的プローブの使用により、電気的プローブを用いて決定されたモデルを微調整することができる。電気的プローブは、刺激を向ける限られた能力しか与えないため、近くのエリアを直接刺激することなく、特定のエリアを刺激するのにはあまり適していない。本明細書に開示される光遺伝子的プローブは、刺激位置のより正確に選択する機構を提供する。例えば、光遺伝子的プローブからの刺激は、求心性線維等の非常に特定された種類の回路/細胞を対象とすることができる。以下の説明は、そのような実施形態と一致する実施例を提供するものであり、本発明の態様の実行可能性および広い適用性を示すことを意図する。本発明の一実施形態によれば、本発明は、治療効果に関与する標的細胞型激しく議論される領域であり、臨床的に極めて重要であるを特定するために、例えば、パーキンソン病ラット等の脳深部刺激の動物モデルにおいて用いてもよい。この知見だけでも、ヒトの疾患を治療するための改善された薬理学的および外科的戦略の進展につながり得る。そのような応用の1つは、2つのニューロン群の間における長期増強LTPおよび/または長期抑圧LTDを含む。VChR1およびChR2の発現を異なるニューロン集団に標的化し、それぞれを異なる周波数の光で刺激することにより、2群間でLTPまたはLTDを達成することができる。それぞれの波長の光を用いて、それぞれの群を個別に制御することができる。これは、同じ波長の光を用いて個別に制御する際に、2群の空間的配置が問題となる応用で特に有用であり得る。したがって、光送達装置は、間違ったニューロン群を興奮させにくく、光学的な刺激の正確な空間的位置への依存が少なくなり得る。インビボでの細胞へのタンパク質の送達は、複数の異なる送達装置、方法、およびシステムを用いて達成することができる。そのような送達装置の1つは、例えば、ウイルスベクター等のインビボで細胞を修飾するためのヌクレオチド配列を送達する埋め込み型装置である。埋め込み型装置はまた、光送達機構を含むこともできる。光送達は、例えば、発光ダイオードLED、光ファイバー、および/またはレーザーを用いて達成することができる。本発明の別の実施形態は、生存/死滅、分化、および複製を含む幹細胞の運命に影響を与えるためにVChR1の使用を含む。電気的性質の調節は、幹細胞の運命を制御することが示されている。種々の技術を用いて、幹細胞の運命を修飾する刺激パターンを与えることができる。具体例は、Deisseroth,K.elal.Excitation-neurogenesiscouplinginadultneuralstem/progenitorcells,Neuron42,pp.535-5522004に説明される技術に従うものであり、これは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本発明の別の実施形態は、治療の有効性を評価ためのDChRおよび/またはGtR3の使用を対象とする。これには、薬物スクリーニング、治療レジメン、または治療/疾患のモデリングが含まれるが、これらに限定されるものではない。特定の実施形態において、DChRは、そのような評価における主要な光学的に応答するタンパク質として用いられる。代替的な実施形態において、DChRは、異なる波長に応答する他の種類の光学的に応答するタンパク質例えば、VCHR1、GtR3、ChR2、および/またはNpHRと一緒に用いられる。また、本明細書に提供されるのは、動物または組織中の神経細胞間の経シナプス結合を特定する方法であって、本方法は、a該動物または組織の領域A内の神経細胞に、細胞間トレーサータンパク質に融合されたCreリコンビナーゼをコードする第1のウイルスベクターを投与することと、b該動物または組織の領域B内の神経細胞に、光活性化タンパク質をコードする第2のウイルスベクターを投与することであって、該光活性化タンパク質の発現は、該Creリコンビナーゼの存在に依存する、第2のウイルスベクターを投与することと、c領域B内で該光活性化タンパク質を発現する神経細胞を特定することであって、該神経細胞中での光活性化タンパク質の発現は、これらの細胞が領域A内の細胞と経シナプス結合していることを示す、神経細胞を特定することと、を含む。また、本明細書に提供されるのは、動物または組織中の標的とされた神経細胞の光学制御の生成方法であって、本方法は、a該動物または組織の領域Aに、細胞間トレーサータンパク質に融合されたCreリコンビナーゼを発現する第1のウイルスベクターを投与することと、b該動物または組織の領域Bに、光活性化タンパク質をコードする第2のウイルスベクターを投与することであって、該光活性化タンパク質の発現は、該Creリコンビナーゼの存在に依存し、領域Aおよび領域B内の神経細胞が、経シナプス結合している、第2のウイルスベクターを投与することと、c該タンパク質を活性化する光により領域B内の神経細胞の活動電位を制御することと、を含む。また、本明細書に提供されるのは、動物におけるニューロンの活動電位の制御方法であって、光により該ニューロン内の光活性化タンパク質を活性化して、活動電位の変化を生じさせることを含み、該ニューロン内の該光活性化タンパク質の発現は、a該動物の領域Aに、細胞間トレーサータンパク質に融合されたCreリコンビナーゼを発現する第1のウイルスベクターを投与することと、b該ニューロンを含む前記動物の領域Bに、光活性化タンパク質をコードする第2のウイルスベクターを投与することであって、該光活性化タンパク質の発現は、該Creリコンビナーゼの存在に依存し、領域Aおよび領域B内の該ニューロンは、経シナプス結合している、第2のウイルスベクターを投与することと、により生成される。いくつかの実施形態において、ウイルスベクターは、AAV、HSV、およびレンチウイルスからなる群から選択されるウイルスベクターである。いくつかの実施形態において、細胞間トレーサータンパク質は、コムギ胚芽凝集素WGAまたは破傷風毒素断片CTTCである。本明細書に記載の種々の実施形態のうちの1つ、いくつかの、または全ての性質を組み合わせて、本発明の他の実施形態を形成してもよいことを理解されるべきである。本発明のこれらおよび他の態様は、当業者には明らかであろう。本明細書に記載の本発明の態様および変形例は、態様および変形例からなるconsistingおよび/またはから本質的になるconsistingessentiallyofを含むことを理解されよう。本明細書中で、および添付の特許請求の範囲で使用される、単数形a、an、およびtheは、文脈が明らかに異なるように述べていない限り、複数の参照も含む。例えば、動物細胞への言及は、1つから多くの細胞への言及である。単離ポリヌクレオチドは、その自然環境の成分から特定される、分離される、および/または回収されるものである。本明細書における約値またはパラメータへの言及は、その値またはパラメータ自体を対象とする変形例を含むおよび記載する。例えば、約Xに言及する記述は、Xの記述を含む。約という用語は、およその通常の意味を有する。いくつかの実施形態において、約は、±10または±5を意味する。本明細書に提供されるのは、神経細胞、細胞株、および筋細胞が挙げられるが、これらに限定されない動物細胞であり、この動物細胞は、青色光に応答してプロトンポンプを発現する集積された外因性分子を含み、該外因性分子は、ギャラルディアシータ由来である。また、本明細書に提供されるのは、ギャラルディアシータ由来の光応答性タンパク質を修飾して、光応答性タンパク質のC末端で小胞体ER移行シグナルを加えることを含む、方法である。また、本明細書に提供されるのは、インビボでのニューロンの活動電位を制御するためのシステムであり、このシステムには、送達装置であって、タンパク質をニューロンに導入し、タンパク質が青色光に応答し、青色光に応答するタンパク質の刺激に対して光を発生する青色光源に抑制性電流を生じる、送達装置と、光源による光の発生を制御する制御装置と、を含む。また、本明細書に提供されるのは、GtR3プロトンポンプを発現する細胞の光学的な刺激のために行われるシステム、方法、構成、またはキットである。また、本明細書に提供されるのは、GtR3および/またはDChRを用いて、細胞内プロセスの制御のために行われるシステム、方法、構成、またはキットである。また、本明細書に提供されるのは、一般的な細胞内ネットワークの異なる細胞集団における、GtR3およびDChRの使用のために行われるシステム、方法、構成、またはキットである。また、本明細書に提供されるのは、DChRのために行われるシステム、方法、構成、またはキットである。また、本明細書に提供されるのは、本明細書に記載の配列例えば、表1に示される配列のいずれかと一致するタンパク質である。また、本明細書に提供されるのは、その反応プロファイルに基づき得る他の光応答性オプシン型と、DChRまたはGtR3の組み合わせに対して行われるシステム、方法、構成、またはキットである。また、本明細書に提供されるのは、3つ以上の光応答性オプシン型の組み合わせに対して行われるシステム、方法、構成、またはキットである。また、本明細書に提供されるのは、同じ細胞内であるが、異なる光に応答する複数のオプシン型を用いて、活性の段階的レベルを提供するための方法である。また、本明細書に提供されるのは、同じ細胞内で複数のオプシン型を用いて、それぞれのオプシン型の刺激を交互に行うことを通じてチャネル機能の周波数の増加を提供するために、活性の段階的レベルを提供するための方法である。また、本明細書に提供されるのは、筋肉制御に対して行われるシステム、方法、配置、またはキットである。また、本明細書に提供されるのは、いくつかの異なる細胞群の制御の組み合わせに対して行われるシステム、方法、配置、またはキットであり、それぞれの群が、少なくとも1つの他の群から独立して制御することができるように、それぞれの群は、異なるオプシンの組み合わせを有する。また、本明細書に提供されるのは、細胞または細胞集団の制御のためのフィードバックループからなるシステムであり、細胞単数または複数は、その中に発現される光応答性タンパク質型を有する。また、本明細書に提供されるのは、パーキンソン病の治療が含まれるが、これに限定されない、治療への応用である。また、本明細書に提供されるのは、複数の波長の強度に応答するための、網膜細胞中の移植/脳の再教育のために行われるシステム、方法、構成、またはキットである。また、本明細書に提供されるのは、薬物試験に対して行われるシステム、方法、構成、またはキットである。また、本明細書に提供されるのは、トランスジェニック動物を用いたGtR3および/またはDChRの使用のために行われるシステム、方法、配置、またはキットである。また、本明細書に提供されるのは、細胞小器官内のpHレベルの制御が挙げられるが、これに限定されない、細胞中のpHレベルの制御のために行われるシステム、方法、構成、またはキットであり、限定されることなく、その機能を促すもしくは抑制する、またはその細胞を死滅させるもしくは損なうために、実施することができる。ある実施形態によれば、細胞内および細胞間輸送戦略は、これより、1遠赤外線/赤外線の境界での光学的調節および全可視スペクトルを横切る光遺伝学的な制御の拡張;2光源条件を増加させることなく光学的抑制の有効性の増加早期ツールの光感受性および可逆性、段階状動力学的安定性を維持するナノアンペアスケールのクロリドを媒介した光電流;ならびに3プロモータが、知られていない、もしくは遺伝的に扱いにくい生物にある場合、多用途の標的化を可能にするような、遺伝的同一性だけでなく、形態学および組織トポロジーにも基づいた細胞を標的とするための一般的戦略を可能にする。これらの結果は、無傷システムの生物学および行動に適している多用途の高速光遺伝学的な技術の拡張を可能にする細胞生物学的な原理の使用を示す。本開示の特定の態様は、光遺伝学の力を定量的および定性的に増強し、研究の異なる手段を開くツールの一団を駆動するための、分子を輸送する戦略の応用を対象とする。特に、組織内のそれらの位相的関係のみによって細胞の標的化を可能にし、赤外線の境界まで光学的な制御の範囲を拡大する、他の周知のツールを超えて強化され、全可視スペクトルを網羅するエフェクター機能を有するツールが開発されている。本開示によれば、eNpHR2.0を発現する海馬ニューロンの試験は、持続的な細胞内の標識化および膜への局在化の不良による球形ER蓄積の不在を示し、これにより、ER移行ステップの後のさらなる修正が重要であることを示唆している。異なる膜への局在による内向き整流のカリウムチャネルの2つの形態Kir2.1およびKir2.4間の一次配列の差異の試験は、C末端ER移行モチーフだけでなく、N末端ゴルジ移行シグナルおよびC末端膜輸送シグナルにおいて差異を示したHofherretal.,2005。驚くことに、ゴルジ移行シグナルの提供は、表面発現には重大な影響を及ぼさなかったが、eNpHRとEYFPとの融合の間で、あるいは融合タンパク質のC末端でのいずれかで、Kir2.1からの膜輸送シグナルの付加は、細胞内の標識化を劇的に減少させ、見かけの表面膜の発現を増加させ、細胞プロセスの標識化も改善した。実際に、高解像度の共焦点画像は、プロセスにおいて著しい局在化を示し、特定できる標識化された膜貫通細胞内領域が、NpHRまたはその誘導体で今までに観察されたことないパターンで、オプシン-EYFPの融合タンパク質が明らかに欠けていた。ホールセルパッチクランプ記録法を用いて、ハロロドプシンポンプ分子の正真正銘の機能的な原形質膜への局在を定量化する、光電流を試験した。光電流は、実際に、大いに増加した初期に記載されたNpHRの電流よりも約20倍大きいレベルまで;ヒトシナプシンIプロモータ下で、レンチウイルス形質導入された海馬錐体ニューロンにおける平均値±標準誤差[SEM]、光電流747.2±93.9pA;n=10。図25Dは、図の左部分で代表的なトレースおよび図の右部分で要約プロットを示す。図25Dの代表的なトレースおよび要約プロットは、黒色で示されるeNPHR3.0747.2±93.9pAおよび灰色で示されるeNpHR2.0214.1±24.7pA;不対t検定p=0.0005;n=10を発現する細胞における平均光電流レベルを示す。膜の入力抵抗は、パッチした全てのニューロンに対して同様であったeNpHR:193.1±36.6MΩ;eNpHR3.0:151.6±28.5MΩ;不対t検定p=0.37。下述の作用スペクトルピークで、ナノアンペアスケールの平均の外向き電流が、このレベルの光電流を得るためにプロトンポンプにより必要とされるものよりも一桁低い強度である3.5mW/mm2の黄色光で、容易に観察された低い光強度の維持は、、相当な組織容量の安全制御が、最優先事項であるインビボ実験においてのみ、重要な問題になるAravanisetal.,2007、Adamantidisetal.,2007、Chowetal.,2010。図25Eは、図の左部分でeNpHR3.0黒色およびeNpHR2.0灰色の代表的な電圧トレース、および右部分で要約プロットを示す。ウイルス形質導入ニューロンでは、100mV超で光誘起された過分極は、通常、図25Eで示されるように、同じ少量の光パワーレベルで、達成可能であったeNpHR3.0:101.0±24.7mV、n=10;およびeNpHr2.0:57.2±6.8mV、不対t検定p=0.0005、n=10を発現する細胞における平均過分極。この新しい大きさの膜電位の変化は、光遺伝子の抑制において機能的に異なる進歩を示し、それ故に、我々は、eNpHR3.0としてこの第3世代NpHRを指定するナトロノモナスハロロドプシンは、2005年にNpHRと命名され[Satoetal.,2005]、Gradinaruら[2008]により開発された第1の輸送を強化したバージョンは、現在、eNpHR2.0と称される。NpHR光電流が、段階状であり、10分間を超える連続照射でほとんど不活性化を呈さなかったことを示したことを示す先行研究Zhangetal.,2007aから予期されたように実際に、Zhangら[2007a]に記載されるこの理由によりNpHRが選択された、eNpHR3.0の光電流もまた、段階状であり、不活性化に対して耐性があり、複数の光パルスおよび長い挙動的に関連したタイムスケールにわたって高度に安定であったZhangetal.,2007a。図30Aは、短いタイムスケールにわたってeNpHR3.0に対する安定性および回復を示す。図30Aの左部分の代表的なトレースは、図30Aの上から下:2.5秒、5秒、10秒、および20秒による時間で分かれた10秒の長さの黄色光パルスの対で曝露したときの、eNpHR3.0を発現する細胞における光電流を示す。図30Aの右上部分は、eNpHR3.0を発現する細胞における正規化した平均光電流レベルを示す、パルス20秒間隔の要約プロットを示すP1=第1のパルスピーク、1.00、S1=第1のパルス定常状態、0.74±0.01、P2=第2のパルスピーク、0.86±0.02;n=11。図30Aの右下部分は、約50のピーク回復P2-S1/P1-S1を示す、パルス20秒間隔の要約プロットを示す。20秒後、ピークは、45.2±6.6まで回復する。図30Bは、長期間の連続光曝露に対するNpHR3.0の正規化した光電流の時間経過を示すn=11;種々のプロット化は、平均値±SEMである。図30Cは、10分間にわたるeNpHR3.0の安定性の外向き電流を示す593nmの光送達は、実線の棒で示される、出力密度:2.5mW/mm2。ロバスト改善された発現が、インビボでの哺乳動物脳中に保存されるかどうかの問に答えるために、CaMKIIαプロモータの制御下で、成体マウスにおける海馬形成のCA1領域に、新規のオプシン遺伝子を送達するレンチウイルスベクターを注入し、発現したEYFP融合の分布を試験した。培養された細胞におけるのと同様に、強力な発現が、eNpHR3.0およびeNpHR3.1同等の機能性を有するeNpHR3.0のより短いバージョンであるが、N末端シグナルペプチドが除去されたいるの両方で、インビボにおいて、樹状突起だけでなく、軸索でも観察された。システム神経生物学に対する主要なインビボでの機会は、領域Aから領域Bまでの突出のみでなく、その接続の中でもAからBの突出を有する細胞型自体を制御することである。この根本的に異なる結果は、他の標的化方法との光学制御の多重化を必要とする。そのような制御は、システム神経生物学において大きな価値があるものであり、例えば、皮皮質興奮性錐体ニューロンは、細胞の遺伝的かつ解剖学的に定義される細胞のクラスを形成するが、このクラス内では、それぞれが、脳の複数の異なる領域例えば、視床、脊髄、線条体、および他の皮質領域に突出する細胞であり、したがって、根本的に異なる役割を有するLeinetal.,2007、Yoshimuraetal.,2005。遺伝子ツールは、これらの異なる細胞クラスの全てを分離するのに十分に進歩する可能性が低く、接続状態により定義される細胞を抑制または興奮させるための必要性を示す図26B。この目標を達成するための1つの方法は、細胞間輸送を十分に利用すること、つまり、局在の細胞体位置に、最適な微生物のオプシン遺伝子を条件付きで発現するCre依存性ウイルスを導入し例えば、Tsaietal.,2009、Cre駆動マウス株をさらに利用するのではなく、代わりに、例えば、コムギ胚芽凝集素WGA図26B、または破傷風毒素フラグメントCTTC等の細胞間トレーサータンパク質に融合されたCreリコンビナーゼを発現するウイルスを遠隔ターゲット構造体解剖学的結合性により対象となる細胞を定義するように選択されるに導入することであるKissaetal.,2002、Maskosetal.,2002、Perreaultetal.,2006、Sanoetal.,2007、SugitaandShiba,2005。融合タンパク質におけるCreリコンビナーゼは、この結合性により画定された局所細胞のサブセットにおいて、オプシン発現を活性化する場合、局在の細胞体位置にトレーサーとともに推定されるエンドソーム輸送機構により解剖学的に結合される図26BGradinaruetal.,2007,2009、Petreanuetal.,2007,2009。このアプローチは、いかなる特定のプロモータフラグメントまたは標的細胞の発生的定義も必要としないがラットおよび霊長類等の遺伝的に細工されることが少ない種で用いる明らかな利点、必要である場合、そのようなさらなる遺伝的な改良は、容易に加えることができ例えば、WGA-Cre-およびCre依存性オプシンの両方は、利用可能な場合は細胞型に特異的なプロモータの制御下で送達することもあり得る、これは、結合性、位置、および遺伝学の共通部分で定義される細胞に対応するための多用途手段を形成することに留意されたい。この概念は、第1に、eNpHR3.0を、一次感覚野S1による皮質-皮質結合に関与するこれらの一次運動野M1超小型回路に選択的に導入するための戦略を考案することにより、ラットにおいて検証されたColechioandAlloway,2009。これを行うために、上述のCre依存性AAVであり、現在、条件付きで発現するeNpHR3.0を運動野に注入し、新規のWGA-Creを発現するAVAAV2-EF1α-mCherry-IRES-WGA-Creを遠隔で一次体性感覚野に注入した。ロバストなeNpHR3.0-EYFP発現が、実際に、CreリコンビナーゼAAVの注入の遠隔性にもかかわらず、注入から5週間後に、運動野ニューロンの分散型サブセットに観察されたが、Creリコンビナーゼを有さない対照動物においては、これらのCre依存性AAVから発現は観察されなかったTsaietal.,2009、Sohaletal.,2009。図26Cは、WGAおよびCre遺伝子はともに、哺乳動物コドンで最適化されるWGA-CreおよびCre依存性AAVベクターに対する構築設計を示す。Creのシナプス経由または経細胞輸送の予想されたモードと一致して、mCherry陽性細胞体は、運動野において観察されず、EYFP陽性細胞体もS1感覚野において観察されなかった。Creは、Cre依存性ウイルスを受容するシナプスによって結合されたニューロンにおいてのみ遠隔の遺伝子発現を活性化するが、他のものにおいて活性化しないように、形質導入細胞からシナプス経由で送達することができる。M1から生じる予期されたEYFP-eNpHR3.0軸索末端は、S1に存在した。同時に起こるオプトロード刺激/記録Gradinaruetal.,2007を、WGAシステム下でeNpHR3.0の機能性を検証するために行ない、実際に、ロバストな抑制が、XFPオプシン融合タンパク質の強い蛍光発光から予期されるように、M1において容易に観察された。これらのデータは、皮質-皮質結合に関与するニューロンが、実際に、単に突出としてではなく、結合性によって定義された細胞型として対処され、標的化することができることを示す。異なる回路において、異なるオプシンを用いて、この標的化技術を単独で検証するために、次に、大脳半球間の突出に関与する海馬体の歯状回ニューロンを標的化した。歯状門内で、唯一知られている単シナプス対側突出は、門苔状細胞から生じ、分子層の樹状突起において、対側歯状の顆粒細胞上で終了するFreundandBuzsaki,1996、Ratzliffetal.,2004。WGA-CreAAVは、一方的に、1つの歯状回に注入されたが、一方、Cre依存性AAVは、同じ動物の対側歯状回に注入された。著しくは、オプシン発現は、対側部位の門細胞にのみ観察された。実際に、この場合およびこの時点で、Creの蓄積は、対側門細胞を退化させ、対側門細胞への単シナプスであたが、これはEYFPの標識化は、対側顆粒細胞層では観察されず、さらに、このAAV血清型による軸索末端の直接変換の欠如を示し、mCherryは、対側歯状において観察されなかったからである。光学制御に対して正確な機会が得られる、同側歯状において唯一EYFPを発現する回路素子は、対側歯状門から生じる繊維にまさに予期されるように、顆粒細胞層の分子層において終了することが観察された軸索繊維であった。実際に、インビボオプトロード記録は、オプシンを発現する細胞体とニューロン下流の両方で、対側半球において、ChR2を発現する細胞の軸索突出への、光が引き金となるスパイクを駆動する際、WGA/Creを活性化したChR2の機能性を確認し、以前の光遺伝学の研究Zhangetal.,2007a,2007bと一致して、光ファイバーを通じて送達された30Hz5msパルス幅での470nmの光パルスは、インビボでニューロン発火を確実に駆動した。無傷組織内で改変されたオプシンに対するこれらの標的化戦略の有用性は、さらなる利点が、インビボで調節可能な組織の容量に関して生じ得るかどうかの問題が生じた。膜輸送修飾のみは、作用スペクトルをシフトさせない、遠赤色光においてニューロンを制御する能力は、光遺伝学の念願の目標であり、これは、散乱する生物組織にさらにより深く貫通する光の使用を可能にするように蛍光タンパク質に対して最近示された遠赤色光の実用性と同様にShuetal.,2009、したがって、より多量の容量の動員が可能であるからであるAravanisetal.,2007、Adamantidisetal.,2007、Gradinaruetal.,2009。eNpHR3.0に対して観察された大量の光電流NpHRに対して当初報告されたものの約20倍、それ自体は、589nmの琥珀色光に応答してスパイクを遮断することができるは、遠赤色光による光遺伝制御が達成され得ることを示唆した。したがって、輸送を強化したeNpHR3.0を用いた遠赤色光における光学制御を詳しく研究した。わずか3.5mW/mm2の真の赤色630nm光にさえも応答して、ウイルスで形質転換された細胞において、強力な約250pAの外向き光電流が観察され、それは、これでも黄色光による初めに観察されたNpHR電流よりも6倍超上回り図27A、NpHRに特有であるステップのような安定した動力学の特徴を維持したeNpHR3.0を発現するニューロンおよびeNpHR2.0を発現するニューロン:eNpHR3.0:239.4±28.7pA、eNpHR2.0:42.7±4.5pA、不対t検定p=0.00004、n=10Zhangetal.,2007a。さらに、赤色光に誘発されるこれらの光電流を用いて、海馬錐体ニューロンにおいて大きな>40mV過分極の引き金となり得ることを見出した図27BeNpHR3.0を発現するニューロンおよびeNpHR2.0を発現するニューロン:eNpHR3.0:43.3±6.1mV、eNpHR2.0:15.6±3.2mV、不対t検定p=0.00116、n=10。したがって、さらに赤色シフトした光を詳しく研究した。660nmの光を有する深赤色において、および680nmの光を有する赤/赤外線の境界で、ロバストな光電流を継続して観察した図27C。680nmで、光電流約75pAは、7mW/mm2で以前報告されたピーク黄色光のeNpHR2.0電流よりもさらに大きかった。重要なことには、試験した赤色および遠赤色波長の全てで、eNpHR3.0の光電流は、7mW/mm2以下で電流注入により誘発された活動電位を容易に遮断し図27D、これは、遠赤色光への光遺伝制御チャネルの拡張を検証した。赤色および遠赤色/赤外線の境界照射の異なる波長により誘発された外向き光電流は、630nmで239.4±28.7pAn=10、660nmで120.5±16.7pAn=4、および680nmで76.3±8.1pAn=4である。NpHRの1つの重要な特徴は、ChR2によるスペクトル適合性であり、2つのオプシンは、ほぼ分離可能なスペクトルを有し、類似の光出力密度の必要条件で動作し、小さな領域のスペクトル重なりにもかかわらず、インビトロまたはインビボで光学活性の双方向の制御を可能にするZhangetal.,2007a。eNpHR3.0が、強力すぎるかどうかを試験するために、同じ細胞中のChR2と組み合わせて使用するためのスペクトル重なりを考えて、eNpHR3.0を含有するバイシストロニックベクターを作製し、類似の2Aベースの組み合わせベクターRyanandDrew,1994が、前のツールとともに利用され、この方法を用いたチャネルロドプシン電流は、150~240pAであり、ハロロドプシン電流は、11~40pAであるTangetal.,2009、Hanetai.,2009b。eNpHR3.0-2A-ChR2構築体eNPACと略されるを海馬錐体ニューロンにトランスフェクトした。これらの実験により、細胞プロセスへの両方のオプシン遺伝子生成物の輸送が観察された。独立した励起および抑制が、eNpHR3.0からの電流の増加にもかかわらず、なお可能であることを確認するために、eNPACに対しておよびChR2H134RGradinaruetal.,2007およびeNpHR3.0のみに対して詳細に定常状態の光電流作用スペクトルをまとめた。図27Fは、図27Fの左部分にeNPAC、および図27Fの右部分にChR2H124RおよびeNpHR3.0の活性化スペクトルを示す。図27Fの右部分には、ChR2の活性化スペクトルは、濃灰色で示され、eNpHR3.0の活性化スペクトルは、薄灰色で示される。最大のeNPAC定常状態の興奮性および抑制性電流はともに、それぞれのオプシンが、個々に発現されるときに観察されたものの約60であり、それぞれの方向において550pAを上回る最大光電流を得て図27F~G、やや重なる作用スペクトルは、過分極抑制と組み合わせた強力な短絡抑制が、この組み合わせアプローチとともに可能性が高いという点で、特性を与え得る。より具体的には、最大のeNPACの定常状態の励起は、427nmn=9で、567±49pAであり、ChR2H134Rのみに対する値の62916±185pA、n=5であった。同様に、最大のeNPAC抑制は、590nmn=9で679±109pAであり、eNpHR3.0のみに対する値の611110±333pA、n=4であった。ピーク電流値の出力密度は、3.5~5mW/mm2590nmで3.5mW/mm2であった。インビボでの検証は、特定のP2A方法または他のリンカーアプローチが、特定の回路または細胞型において機能的であることを示す必要があるいまだ決定されていないが、培養された海馬ニューロンにおけるこれらのデータは、それぞれ、500pAを上回る強力な双方向の光電流が、輸送を強化したオプシンの干渉の能力を奪うことなく、単一細胞内で達成することができることを示す。微生物のオプシンの周知の広範な作用スペクトルは、複数の独立したチャネルの制御を達成することに関して課題をもたらし、興味深いことに、eNpHR3.0は、強力な遠赤色の光学制御ツールであるだけでなく、最も強力であることが知られている青色光を駆動するオプシンベースの抑制剤でもある472nmで400pA超。実際に、ここで示される膜輸送戦略は、光遺伝学的制御の目的の独特な性質を有する様々な微生物オプシンに適応するための一般的に可能な戦略を形成し得る。一連の最終的な実験では、これらおよび他の強化した膜輸送原理が、光遺伝学的ツールボックスに、遺伝的かつ機能的に異なる成分の追加が可能であり得るかどうかを詳しく研究した。非常に多数の微生物オプシン遺伝子が、自然に存在するが、我々および他者は、光電流の大きさ、要光量、または動力学に関して、本明細書に記載のeNpHR3.0より機能が優れているものは、これまで見出していないZhangetal.,2007a、HanandBoyden,2007、Chowetal.,2010。光遺伝学的ツールボックスを拡張し続けることは重要であるが、ほとんどの微生物オプシンは、哺乳動物細胞において、不完全に運送されていることを見出した。しかしながら、本明細書に概説される微生物オプシンの操作についての輸送原理の適用は、光遺伝学が、過去数年かけてゲノミクスの進歩を継続させることができZhangetal.,2008、微生物オプシンの膨大な自然多様性に利用し得るZhangetal.,2008;Chowetal.,2010。膜貫通イオン伝導性の緑色光を活性化した調節因子であるハロバクテリウムサリナルムHsalinarumMartietal.,1991からの、最良に特徴付けられた微生物オプシンであるバクテリオロドプシンBRStoeckeniusandBogomolni,1982を用いて、膜輸送原理の適合性を試験しようと試みた。修正されていない形態で発現され、卓越した細胞内蓄積が観察されたことが見出し、これらと同様に、ナトロノモナスNatronomonasハロロドプシンが、高レベルで発現されるときに見られるが、光電流は観察されなかった。しかしながら、BRとEYFPとの間の膜輸送シグナルTS、eNpHR3.0に対して利用されるようなの付加は、大幅に、膜およびプロセスの局在を改善し、より小さい持続性のあるER様の蓄積を伴ったが、ER移行シグナルFCYENEVのさらなるC末端の付加で排除された。得られた構築体eBR、最適な膜輸送に対して二重に改変されるは、著しい膜への局在および標的化するプロセスを伴って、培養されたニューロンにおいて、良好な耐性を示した。機能的な原形質膜の標的化の検証は、eBRが、一般的に、560nmの光の最適波長に曝露されるとき、海馬錐体ニューロンにおいてスパイクを遮断するのに十分である約50pAの外向き光電流および約10mVの過分極を送達し得ることを示し、それにより、光遺伝学的制御に対して別のチャネルを提供し、微生物オプシン膜輸送アプローチの強力な一般化可能性を示した。より具体的には、図28Bに見られるように、560ナノメートルの光が、eBR細胞中で46.4±7.2pAの外向き光電流を誘発した平均値±SEMは、プロットされる、n=12。この膜の入力抵抗は、パッチした全てのニューロンに対して同様であった131.6±19.5mΩ。サンプルで光出力密度は、7mW/mm2であった。図28Cに見られるように、光誘起過分極は、10.8±1.0mVであった平均値±SEMは、プロットされた、n=12。また、ボルボックスカルテリVolvoxcarteriからの赤色シフトした興奮性オプシンVChR1の特定を可能にしたものと同様のゲノム戦略を継続しZhangetal.,2008、実際に、多くの微生物が、紫色からほぼ赤外線の光感受性を示すことが報告されている。したがって、チャネルまたはポンプの性質を有する新しいロドプシンならびに新規の光感受性について検索するための、環境の配列データベース、植物/微生物を発現した配列タグESTライブラリー、および全ゲノムショットガンWGSの配列リポジトリにおける広範なゲノムを採掘するアプローチを継続したZhangetal.,2008。テンプレート配列としてChR、HR、およびBRの一次アミノ酸配列を用いて、進化的に離れた種の間での検索を継続したZhangetal.,2008、Chowetal.,2010。様々な宿主クリプトモナス、ギャラルディア、メソスティグマ、デュナリエラ、グロイオバクタ等からの他の候補配列の中で、ギャラルディアシータからのこれらの1つは、以前に報告されたGtR1およびGtR2とは異なりSineshchekovetal.,2005、ChR2に対して高いアミノ酸相同性を示した。ギャラルディアシータのロドプシン-3GtR3としてこの新しいタンパク質を指定し、哺乳動物発現に対してGtR3のコドンバイアスを最適化し、GtR3-EYFP融合遺伝子を海馬錐体ニューロンに送達した。新生の論題では、GtR3は、細胞内蓄積を示したが、光電流は示さなかった。GtR3とEYFPとの間のTSシグナルの供給は、少しだけ蓄積を減少させたが、C末端へのER移行シグナルFCYENEVの付加とともに、蓄積は、なくなり、表面を増加し、プロセスへの局在化が観察された。得られた修飾されたGtR3は、eBRよりも小さい電流を用いたにもかかわらず、472nmの青色光に応答して海馬ニューロンを過分極し、スパイクも抑制することができた。また、改善された輸送に対して改変されたアセタブラリアアセタブラムAcetabulariaacetabulumTsunodaetal.,2006;Chowetal.,2010由来のオプシンARを用いて、スパイクの青色抑制を達成し、ARは、機能的な膜への局在およびスパイク抑制のために、単独で電流をほとんど発生しないが、初めに凝集がなく、ARとEYFPとの間のTSシグナルの付加のみ必要であった。サンプルの電流クランプおよび電圧クランプトレースおよび要約データは、472nmの光18.5mW/mm2下で、GtR3機能を示し、それは、それぞれ、図31Cの左部分および右部分に示される。光誘起された外向き光電流の要約は、図31Cの左の棒グラフに示され、青色光ピークについての対応する過分極の要約は、右の棒グラフに示される。対応する光電流および過分極は、黄色光589nm、7.5mW/mm2では、0.5±0.4pAおよび0.12±0.09mVであり、青色光472nm、18.5mW/mm2では、20.0±6.7pAおよび5.6±1.2mVであり、紫色光406nm、3mW/mm2では、1.7±0.9pAおよび0.6±0.3mVであった平均値±SEMプロットされた、n=10、入力抵抗は、全てのニューロンについて同様であった:113.5±24.2mΩ。これらおよび他の公開された微生物オプシン由来の抑制剤は、eNpHR3.0ほど強力なものではないがそしてこの理由により、光遺伝学応用のためにeNpHR3.0を用いて継続される、膜輸送修飾により本明細書で達成された改善された機能性は、生態的多様性の潜在性の低下を解き明かす際に、このアプローチの潜在的な多用途性および異なる微生物オプシン遺伝子に対して示される個別の戦略を示す。図29Aは、後生動物の無傷システム生物学に微生物オプシン遺伝子を適応させるための一般的な細胞内を標的とする戦略を示す。図29Bは、組織および細胞内レベルでの標的化の改善点を示す細胞内オプシン標的化方法は、上述されており、Gradinaruetal.[2007]およびLewisetal.,[2009]を参照されたく、組織/細胞間オプシン標的化方法は本明細書に記載の通りである。光遺伝学的アプローチは、既に、自由に行動している哺乳動物Adamantidisetal.,2007、Airanetal.,2009、Gradinaruetal.,2009、Petreanuetal.,2007,2009、Sohaletal.,2009、Tsaietal.,2009、および他の動物Douglassetal.,2008、Hwangetal.,2007、Lerchneretal.,2007、Zhangetal.,2007aにおいて、無傷システム生物学において重要である高い時間精度を有する、生物学的プロセスおよび挙動の制御における実質的な実用性を見出している。微生物タンパク質のための膜輸送の特異的能力の操作が、無傷システム生物学の様々な光遺伝学的技術を生じる際に、重要であることを見出している。全ての輸送戦略が、全ての微生物オプシンに適しているわけではなく、異なるモチーフが、異なる段階で輸送する問題に直面するオプシンに必要とされ、したがって、適切な修飾の理論的選択を有する慎重な細胞内分析が、非哺乳動物起源の全てのオプシンに適用可能であり得る有向かつ理にかなった戦略をともに構成し、それにより、ゲノム源からの新規の光遺伝子学的ツールの系統的な生成を可能にする。前に、多くの応用において有用であるがGradinaruetal.,2009、Sohaletal.,2009、Tonnesenetal.,2009、Arrenbergetal.,2009、NpHRおよびNpHR2.0を用いた抑制が、場合によっては、非常に強力な励起により圧倒され得ることを前に観察したSohaletal.,2009。eNpHR3.0を用いた100mVを上回る過分極は、光学的抑制の有効性を進める実質的なステップを提供する。初期のNpHRよりも20倍を上回る、eNpHR3.0を用いた現在提供される抑制は、光遺伝学的ツールのいずれとも同様に、光強度または負荷サイクルを用いて調節可能な状態である。作用スペクトルピークで、ナノアンペア台の平均外向き電流が、わずか3.5mW/mm2の黄色光上述のプロトンポンプを用いて同様の電流に達するために必要とされるよりも10倍弱い光出力を用いて容易に生じた。同時に、eNpHR3.0は、ステップ様の動力学、高速回復、およびNpHRの長いタイムスケールにわたる不活性化への耐性を維持していたZhangetal.,2007a。eNpHR3.0は、今日まで最も赤色シフトし、強力な光遺伝学的抑制剤として、インビボ応用に特によく適しているが、このツールおよび他のツールの有効性を強化するためのさらなる戦略が、恐らく出現し、本明細書に記載の膜輸送の研究が、将来、さらに強力な抑制剤を可能にし得る。eNpHR3.0を利用するとき、抑制は、必要に応じて、より弱いプロモータ、より短い発現時間、または軽減した光レベルを用いることにより、より深く貫通し、より安全な光子を用いた赤外線の境界で動作することができるように、前述の報告680nm対589nmから赤色シフトした新しい波長約100nmへのアクセスを維持しながら、容易に低下させることができる。もちろん、選択されるオプシン遺伝子および光源だけでなく、回路素子を標的化するための戦略もまた、有効性を決定し得る、例えば、パーキンソン病モデルにおける光遺伝学的研究Gradinaruetal.,2009は、視床下核STNにおける治療効果のある脳深部電気刺激DBSが、求心性神経軸索次いで、同様に、下流および上流ネットワークの両方を調節するにおける作用により開始される可能性が高いことを示した。STN中の局在的な細胞体の直接の光ファイバーに基づいた抑制剤が、求心性神経軸索の直接調節で観察されたものに匹敵する行動的影響を示さなかったが、これらの結果は、STNの抑制が、重要でないという意味ではない実際に、STN中の光遺伝学的軸索調節が、Gradinaruetal.[2009]により言及されるように、STNスパイクの抑制をもたらす。むしろ、これらの結果は、軸索調節が、罹患した神経回路において、構造体またはネットワークを制御するために、有望な治療機構、およびDBS電極または光ファイバー等の点光源のための高効率手段を構成することを示すことにより、DBSの機構および標的を取り囲む長年の臨床的に有意な問題に知識を与えたGradinaruetal.,2009。これらの回路素子標的化の考慮に加えて、光強度および波長、プロモータの選択、ウイルスタイター、ウイルス向性、オプシン発現の時間、標的細胞生物物理学、ならびに内因性活性および調節の局在パターンが全て、光遺伝学的抑制効果に影響を及ぼし、それぞれの実験システムが、慎重に考慮されるべきであるCardinetal.,2010。結合性の性質に基づいて細胞型の制御を可能にするために、Creリコンビナーゼの細胞間送達を利用した。第1に、ラットにおいて、S1との皮質-皮質結合に関与するM1ニューロンを選択的に標的化し、第2に、大脳半球間の突出に関与する海馬体の歯状回ニューロンを標的化し、いずれの場合にも、細胞型に特異的なプロモータフラグメントまたはトランスジェニック動物を用いずに、結合性によってのみ定義された細胞が、標的化された。それぞれのシステムにおいて、このアプローチは、Cre輸送の方向性順行性または逆行性および範囲に対して検証されなければならず、これは、細胞特異的なエンドソーム動力学および実験的時点に依存し得、この戦略はまた、トランスジェニックマウスではなくウイルスを用いてのみ作用し得、CreをエピソームDNAにアクセスすることができる。このアプローチは、軸索末端を直接変換しないベクターにより供給されるのが最良であり、これは、我々および他者は、くつかの回路において観察されたが[Patemaetal.,2004]、全てのAAV血清型に対して当てはまるわけではない。軸索末端のいかなる直接変換も、適切なXFPマーカーで検出されるか、または排除され得、場合によっては、軸索末端の直接変換が、望ましい場合があり、HSV、いくつかのAAV血清型、および偽型レンチウイルスを用いて達成され得るが、そのようなアプローチ本アプローチとは異なっては、変換された末端に、シナプス後の細胞型を選択することができず、また、高いタイター、組織透過性、安全性、および耐性のため、多くの応用のために最適なベクターであるある種のAAVを用いるほど有効ではない。膜輸送修飾により可能である細胞プロセスの標的化は、位相的に定義される細胞の制御を可能にする、つまり、組織内のそれらの結合性の本質的特性により可能にする。現在のところ、輸送は、シナプスまたは単シナプスであることは保証されず海馬回路実験において、そのような性質は、それぞれのシステムにおいて有効である必要があるため、したがって、シナプス標的化というよりも位相的な標的化という用語が、AからBへのいかなる経路もとることができる結合-軸索結合の基本的特徴の独立した変形を強調するために本明細書で使用され、この結合性が存在する限り、位相的な標的化戦略が、いまだに有効である。この性質は、遺伝的に細工されることが少ない生物において重要であるだけでなく、遺伝子を標的とするツールが、多くの場合、不適切であるマウス等の動物においてでさえ相当な価値がある。当然ながら、遺伝子を標的とする戦略は、位相的な標的化とともに多重化され得、例えば、Cre依存性ベクターおよびCre融合ベクターからの発現は、それぞれ、可能な場合は、特異的な遺伝子を標的とする配列により統治され得る。さらに、複数のチャネルの光学制御の可能性は、組み合わせによる位相的な標的化戦略への道を開く。ChR2、NpHR、およびVChR1と同様に、ほとんどの微生物オプシンが、新しい種類の機能性を達成するための実質的なタンパク質操作から恩恵を受けることができることに留意する。実際に、我々および他者は、既に、微生物オプシンから、光感受性の増加Bemdtetal.,2009、光電流量の増加Gradinaruetal.,2007,2008、Zhaoetal.,2008、より高速な動力学Gunaydinetal.,2010、Linetal.,2009、および双安定の切り替え動作Bemdtetal.,2009を誘発するための分子戦略を示している。シフトした作用スペクトルZhangetal.,2008、Gunaydinetal.,2010、二光子応答の増加、および例えば、Ca2に対する改変されたイオン透過性等の他の可能性はまた、将来、達成され得る。イオン伝導性を調節するオプシンは、即時の翻訳に対して最も応用が広く一般の電気言語を利用するが、定義された細胞型において、光を用いた生化学的制御もまた、可能であるしかし、微生物のシグナル変換が、後生動物のシグナル伝達とは異なる原理を利用する場合、異なる一組のアプローチを用いる。実際に、良好に定義された生化学的シグナル伝達経路の光遺伝学的制御が、最近、特異的なGタンパク質を結合した受容体シグナル伝達の光学制御の光学上のXR方法を用いて、培養された細胞および自由に行動している哺乳動物の両方において達成されたAiranetal.,2009。インビボ応用を制限する高い暗活性化を有するがSchroder-Langetal.,2007、光活性化することができるアデニリルシクラーゼは、ユーグレナにより研究されており、感光性PASまたはLOVドメインにおけるその後の研究Levskayaetal.,2009、Wuetal.,2009は、これらのアプローチが、生きている動物において作用し得る場合、タンパク質タンパク質連合を制御するための新しい方法を開拓することができる。神経系において、光遺伝学的ツールを適用して、情報伝送、振動、移動、覚醒、および報酬の神経回路の基盤をプローブすること、ならびにパーキンソン病およびてんかんを含む尾億の脳疾患において重要である神経回路の動作をプローブすることができることを見出したAdamantidisetal.,2007、Airanetal.,2009、Cardinetal.,2009、Gradinaruetal.,2009、Sohaletal.,2009、Tonnesenetal.,2009、Tsaietal.,2009。さらに、結果は、動物種にわたる光遺伝学的アプローチの十分な多用途をさらに示すAdamantidisetal.,2007、Airanetal.,2009、Aravanisetal.,2007、Arenkieletal.,2007、Bietal.,2006、Boydenetal.,2005、Chowetal.,2010、Douglassetal.,2008、Gradinaruetal.,2008,2009、Hagglundetal.,2010、Hanetal.,2009a、Huberetal.,2008、Hwangetal.,2007、Ishizukaetal.,2006、Lietal.,2005、Nageletal.,2003,2005、Petreanuetal.,2007,2009、Tsaietal.,2009、Wangetal.,2007、Zhangetal.,2006,2007a、ZhangandOertner,2007、Zhaoetal.,2008。光ファイバーAdamantidisetal.,2007、Aravanisetal.,2007、ならびに光ファイバーと電極とを一体化したオプトロードアセンブリGradinaruetal.,2007とともに、大きな密度の高い臓器内に深く位置した細胞でさえ、自由に行動している哺乳動物において、容易にアクセスし、調べることができる。本明細書で定義されるさらなる供給源は、光学制御の能力を拡張することができる、分子、細胞、およびゲノム戦略から生じ、このツールボックスが迅速に増殖する場合、光遺伝学は、機能する組織内の定義された細胞の高速制御のために、無傷システム生物学において、増加する影響力の強い、多用途の役割を果たすようになり得る。実験手順構築体全てのNpHR変異体は、既刊のNpHR-EYFP構築体のPCR増幅により生成されたZhangetal.,2007b。本明細書に記載の全てのオプシンは、ヒトコドン使用分布に従うようにそれぞれの遺伝子のコドンを変化させることにより、哺乳動物発現に対して最適化されている。最新のマップおよびベクターは、Deisseroth研究室StanfordUniversity,Stanford,Californiaに属するから入手可能であり、自由に配布され、2010ScientificAmerican,MethodoftheYear,December2010http://www.optogenetics.org/に記載され、これらの内容は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。シグナルペプチド配列を有さないGtR3のアミノ酸配列ChR2からのシグナルペプチド配列を有するGtR3のアミノ酸配列DChRのアミノ酸配列NpHRのアミノ酸配列BRのアミノ酸配列海馬培養一次培養海馬ニューロンを、P0Spague-Dawley仔ラットから調製した。CA1およびCA3領域を単離し、0.4mg/mLのパパインWorthington,Lakewood,NJで消化され、65,000/cm2の密度で、1:30のマトリゲルBecktonDickinsonLabware,Bedford,MAでプレコートされたガラス製のカバースリップ上に播種した。カバースリップ上に成長させた海馬培養物に、トランスフェクトされたか、または全ての構築体に対してタイターが一致したウイルスを、4日間インビトロでDIV形質導入したニューロン成長培地中の最終希釈104感染単位i.u./mL。前に記述されたように、ホールセルパッチクランプ記録法を行ったZhangetal.,2007b。一次海馬培養は、タイターで一致させたウイルスを用いて、4日間インビトロで感染させたニューロン成長培地中の最終希釈104感染単位/mL。14日間インビトロで、培養は、氷冷した4パラホルムアルデヒドで30分間固定し、次いで、2正常ロバ血清NDS中の0.4サポニンで30分間透過させた。一次抗体インキュベーションは、4°Cで一晩行い、Cy3共役型二次抗体JacksonLaboratories,WestGrove,PAを、室温で1時間2NDS中に適用した。画像は、63倍/1.4NA油浸対照を用いてLeica共焦点顕微鏡上で得た。齧歯動物脳への定位注射およびオプトロード記録成体マウスおよびLong-Evansラットを、Stanfordでの承認されたプロトコルに従って収容した。全ての手術は、無菌状態下で行われた。動物を、ケタミン80mg/kg/キシラジン15~20mg/kgのカクテルSigmaの腹腔内注射で麻酔した。ウイルスを10μLの注射器および細い34ゲージの金属針を介して送達し、注射容量および流量0.1μL/分で1μLを、WorldPrecisionInstrumentsSarasota,FLからの注入ポンプで制御した。オプシンの機能性の検証のために、生きた齧歯動物における同時の光学的な刺激および電気的記録を、記録されたニューロンの照射を確実にするために、光ファイバーの先端よりも深い約0.4mm電極の先端を用いて、光ファイバー約200μmに結合された細胞外タングステン電極1MΩ、約125μmからなるオプトロードを用いて、以前に記述されたように行ったGradinaruetal.,2007。光ファイバーは、CrystaLaserからの473nmChR2用または560nmeNpHR3.0用レーザーダイオード10mWのファイバー出力に連結した。オプトロード記録は、1.5イソフルランで麻酔した齧歯動物において行い、オプトロードは、標的領域上に形成された小開頭して設置した。データの収集およびファイバーを介した光パルスの生成の両方にpClamp10およびDigidata1322Aボードを用いた。記録された信号を、300Hz低/5kHz高でバンドパスフィルターに通した1800微小電極AC増幅器。組織切片の調製脳切片の調製のために、マウスまたはラットを、ウイルスを注射してから4~5週間後に殺処分した。齧歯動物は、20mLの氷冷したPBS、続いて、20mLの4パラホルムアルデヒドで灌流した。次いで、脳を4パラホルムアルデヒド中で一晩固定し、30スクロース溶液に2日間移した。脳を冷凍し、冠状切片40μmを、LeicaSM2000Rクリオスタットで調製し、抗凍結剤PBS中の25グリセロールおよび30エチレングリコール中で、4°Cで保存した。切片DAPI染色1:50,000を、顕微鏡用スライド上にPVA-DABCOで装着し、単一の共焦点光学的断面例えば、背部のCA1領域を通して、ブレグマよりも約1~2.5mm後方、または背側鉤状回、ブレグマよりも2.7~3mm後方を、Leica共焦点顕微鏡上に、10倍の空気および40倍/1.4NA油浸対照を用いて得た。拡張した実験手順オプシン源本明細書に記載の全てのオプシンは、ヒトコドン使用分布に従うようにそれぞれの遺伝子のコドンを変化させることにより、哺乳動物発現に対して最適化されているhttp://www.kazusa.or.jp/codon/cgi-bin/showcodon.cgispecies=9606。本来のAR、BR、およびGtR3配列についてのGenBank受入コードは、DQ074124、M11720、およびEG722553である。DNA構築体全てのNpHR変異体は、既刊のNpHR-EYFP構築体のPCR増幅により生成しZhangetal.,2007b、標準的な分子生物学プロトコルに従って、CaMKIIαまたはシナプシン-1プロモータを運搬するレンチウイルスのAgelおよびEcoRI制限酵素認識部位に、インフレームにクローン化した。同様の戦略をBRおよびARのために使用した。GtR3を、ゲノムサーチを通じて特定した。本明細書に記載の全てのオプシンは、ヒトコドン使用分布に従うようにそれぞれの遺伝子のコドンを変化させることにより、哺乳動物発現に対して最適化されておりhttp://www.kazusa.or.jp/codon/cgi-bin/showcodon.cgispecies=9606、最適化された配列は、カスタム合成したDNA2.0,Inc.,MenloPark,CA。本来のAR、BR、およびGtR3配列についてのGenBank受入コードは、DQ074124、M11720、およびEG722553である。pAAV-EF1a-mCherry-IRES-WGA-Creベクターを、標準的な分子生物学プロトコルを用いて構築した。WGAおよびCre遺伝子のコドンを、哺乳動物細胞中の発現のために最適化した。遺伝子は、DNA2.0MenloPark,CAにより合成した。Creを、WGAのC末端にインフレーム融合させ、これを、同様に、IRESに融合させた。mCherry-IRES-WGA-Creバイシストロニック発現カセットを、EMCVIRES配列を用いて設計した。pAAV-EF1aプラスミドバックボーンは、前に記述されたものと同一であるSohaletal.,2009、Tsaietal.,2009。pAAV-hSyn-eNpHR3.0-EFYP-P2A-ChR2H134R-mCherryを、5’末端でER移行配列を有するp2A領域および3’末端でhChR2から始まる20塩基を含有した120-merプライマーで構築した5’caagttctgctacgagaacgaggtgggctccggagccacgaacttctctctgttaaagcaagcaggagacgtggaagaaaaccccggtcccatggactatggcggcgctttgtctgccg3’。まず、ChR2H134R-mCherryフラグメントを、順方向プライマーとして、120-merおよび逆プライマーとして、5’-atatcgaattctcattacttgtacagctcgt-3’を用いて増幅した。次に、この増幅された生成物を、干渉されたp2A領域を用いてeNpHR3.0-EYFPをChR2H134R-mCherryに融合するために、順方向プライマー5’-ccggatccccgggtaccggtaggccaccatgacagagaccctgcct-3’とともに、逆プライマーとして使用した。次いで、3.4Kbフラグメントを精製し、pAAV-hSynベクターのBamHIおよびEcoRI部位にクローン化された。全ての構築体は、クローニングの精度のために完全に配列化され、最新マップは、http://www.optogenetics.org.のオンラインで入手可能であり、これらの内容は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。レンチウイルスの調製および滴定度決定培養されたニューロン感染およびインビボ注入のためのレンチウイルスを、前に記述されたように生成したZhangetal.,2007b。ウイルス滴定は、24ウェルプレート中で増殖され、ポリブレン8μg/mlの存在下で5倍の連続希釈でインキュベートされたHEK293細胞において行われた。4日間後、培養物をPBS中に再懸濁し、サンプルあたり20,000の症例を回収するFACScanフローサイトメーター上でEYFP蛍光について分別し、続いて、FlowJoソフトウェアAshland,ORを用いて分析した。ウイルスの滴定度は、以下のように決定した:[感染した細胞の割合×ウェル中の細胞の総数×希釈係数]/細胞に付加した接種材料の容量=感染単位/mL。培養感染のウイルスに対する滴定度は、105感染単位/mLであった。インビボ注入のための濃縮したウイルスの滴定度は、1010感染単位/mLであった。海馬培養一次培養海馬ニューロンをP0Spague-Dawley仔ラットから調製した。CA1およびCA3領域を単離し、0.4mg/mLのパパインWorthington,Lakewood,NJで消化し、65,000/cm2の密度で、1:30のマトリゲルBecktonDickinsonLabware,Bedford,MAでプレコートされたガラス製のカバースリップ上に播種した。培養物は、1.25FBSHyclone,Logan,UT、4B-27supplementGIBCO,GrandIsland,NY、2mMGlutamaxGIBCO、およびFUDR2mg/mL、Sigma,St.Louis,MOを含有するNeurobasal-A培地InvitrogenCarlsbad,CAを用いて5CO2湿潤インキュベータ内で維持した。リン酸カルシウムのトランスフェクション6~10に分けた海馬ニューロンを、24ウェルプレート中で65,000細胞/ウェルで増殖させた。それぞれのウェルに対してDNA/CaCCI2混合:15μLの総H2O中の1.5~3μgのDNAQIAGEN内毒素のない調製物1.875μLの2MCaCCI2最終Ca2濃度250mM。DNA/CaCl2に、15μLの2XHEPES緩衝食塩水pH7.05を添加し、最終容量をピペット操作により十分に混合した。室温で20分間後、30μLのDNA/CaCI22/HBSの混合物を、それぞれのウェルに滴加しここから成長培地が一時的に除去され、400μLの温かいMEMと置き換えた、37°Cで45~60分間、トランスフェクションを開始した。次いで、それぞれのウェルを3×1mLの温かいMEMで洗浄し、成長培地を置き換えた。オプシン発現は、通常、20~24時間以内に観察された。電気生理学カバースリップ上に成長させた海馬培養物に、全ての構築体に対して滴定度が一致したウイルスを、4日間インビトロで形質導入し神経細胞成長培地中の最終希釈104感染単位/mL、1週間発現させた。ホールセルパッチクランプ記録を、前に記述されたように行った細胞内溶液:129mMK-グルコン酸塩、10mMHEPES、10mMKCI、4mMMgATP、0.3mMNa3GTP、pH7.2まで滴定;細胞外タイロード:125mMNaCl、2mMKCI、3mMCaCl2、1mMMgCl2、30mMグルコース、および25mMHEPES、pH7.3まで滴定。電圧クランプ記録のために、細胞は、-70mVで保たれた。可視範囲内の光を、300WDG-4ランプSutterInstruments,Novato,CAから異なる波長の選択性のあるフィルターSemrock,Rochester,NYおよびLeica40X/0.8NA水浸対物を通じて送達した。パワースペクトルを除くフィルター波長nm/帯域幅nm/出力mW/mm2として本明細書に示されるは、406/15/3、472/30/18.5、560/14/7、589/15/7.5、593/40/15.5、630/20/3.5であった。遠赤色光および近赤外線の送達:660nmの抑制剤に対する光7mW/mm2を、発光ダイオードおよび40×/0.8NA水浸対物を用いて送達した。680nmの抑制剤に対する光7mW/mm2を、680±13nmのフィルターを通じて、X-Cite120Wハロゲン光源および40×/0.8NA水浸対物を用いて送達した。eNPAC、ChR2H134R、およびeNpHR3.0のパワースペクトルの光送達は、異なる波長の25mmフィルターのために、10ポジションホイールを有するラムダ10-3フィルターホイールSutterInstrumentsを装備する300WDG-4ランプおよび40×/0.8NA水浸対物から送達した。フィルター波長nm/帯域幅nm/出力mW/mm2として本明細書に示されるは、387/10/3.5、406/15/3.5、427/10/4.0、445/20/4.0、470/22/4.0、494/20/4.5、520/15/4.5、542/27/5.0、560/20/5.0、590/20/3.5、630/20/3.5であった。図1、3A~3D、および4および図S2下表5を参照のことについては、共焦点像およびホールセルパッチクランプデータは、レンチウイルスNpHR、BR、GtR3、およびARベースの構築体を用いて、トランスフェクトされるか共焦点データ、あるいは変換されるパッチデータのいずれかで、1週間発現される、培養された海馬ニューロン由来のものである。発現は、ヒトシナプシンIプロモータにより駆動され、EYFPへの融合により可視化された。表5は、青色抑制剤および新しいオプシン配列:ギャラルディアシータロドプシン-3またはGtR3のためのさらなる輸送強化されたツールを示す。新しいオプシン配列:ギャラルディアシータロドプシン-3またはGtR3。EST配列は、全て7つの膜貫通らせんを含み、5’アミノ酸配列は、ChR2から提供された膜貫通モチーフ:棒;保存残基:ハイライト表示;ペプチドの切断部位:;ChR2から提供されたシグナルペプチド:灰色。免疫組織化学一次海馬培養は、タイターで一致させたウイルスを用いて、4日間インビトロで感染させた神経細胞成長培地中の最終希釈104感染単位/mL。14日間インビトロで、培養物を、氷冷した4パラホルムアルデヒドで30分間固定し、次いで、2正常ロバ血清NDS中の0.4サポニンで30分間透過した。一次抗体のインキュベーションを、KDEL保留シグナルKDEL1:200、Abeam,Cambridge,MAを含有する内因性小胞体タンパク質を認識する小胞体のモノクローナルマーカーを用いて、4°Cで一晩行った。Cy3共役させた二次抗体JacksonLaboratories,WestGrove,PAを、室温で1時間2NDS中に適用した。画像は、63倍/1.4NA油浸対照を用いてLeica共焦点顕微鏡上で得た。齧歯動物脳への定位注射成体マウスおよびLong-Evansラットを、Stanfordでの承認されたプロトコルに従って収容した。全ての手術は、無菌状態下で行われた。動物を、ケタミン80mg/kg/キシラジン15~20mg/kgのカクテルSigmaの腹腔内注射で麻酔した。頭部を定位固定装置KopfInstruments,Tujunga,CA;Olympus立体顕微鏡中に設置した。眼科用の軟膏を眼の乾燥を防ぐために適用した。正中頭皮切開が行われ、小規模の開頭術を定位固定装置FineScienceTools,FosterCity,CA上に実装されたドリルを用いて行った。ウイルスを10μLの注射器および細い34ゲージの金属針を用いて送達し、注射容量および流量0.1μL/分で1μLを、WorldPrecisionInstrumentsSarasota,FLからの注入ポンプで制御した。注入後、この針をさらに5分間放置し、次いで、徐々に引き抜いた。皮膚をVetbond組織接着剤を用いて元の位置に接着した。この動物は、麻酔から回復するまで、加温パッド上に保持した。ブプレノルフィン0.03mg/kgを、不快感を最小限に抑えるために、外科手術後、皮下に投与した。図2Aの実験では、背部CA1の大きな面積を覆うために、CaMKIIαプロモータ下で、eNpHR3.1N末端シグナルペプチドを有するeNpHR3.0の短い形態、元のNpHRの初めから17個のアミノ酸を除去したを担持する1μLの濃縮されたレンチウイルス1010感染単位/mLを、それぞれの海馬において、2つの部位にマイクロ注入した部位1:ブレグマから前後-1.5mm;側部、±1mm;腹部、1.5mm;部位2:AP、ブレグマから-2.5mm;側部、±2mm;腹部、1.5mm。図2Dおよび2Eでは、2つの異なるアデノ随伴ウイルスAAVウイルス滴定度2×1012g.c./mLを、同じ手術中、0.15uL/分の注入速度を用いて、定位的に注入した。高い滴定度2×1012g.c./mLAAVを、UNCVectorCoreにより生成した。図2Dでは、eNpHR3.0-EYFPAAV5-Efla-DIO-eNpHR3.0-EYFPを担持する二重に惹起されたcre依存性AAV5を、M1に注入し、AAV2-Eflα-mCherry-IRESWGA-Creを成体Long-EvansラットのS1に注入した。1μLのウイルスを、以下の調整物により定義された5つの異なる部位で送達した:M1の注入I:AP、ブレグマから1mm;側部、1.5mm;腹部、2mm;M1の注入II:AP、2mm;側部、1.5mm;腹部、2mm;S1の注入I:AP、-0.3mm;側部、3.4mm;腹部、2mm;S1の注入II:AP、-1.3mm;側部、3mm;腹部、2mm;S1の注入III:AP、-2.12mm;側部、3mm;腹部、2mm。図2Eでは、1μLのウイルスを、成体BL6マウスの歯状回DGに左右対称に注入した。AAV8-EF1a-DIO-ChR2-EYFPを、以下の調整物を用いて、右側DGに注入し、AAV2-EF1a-mCherry-IRES-WGA-Creを、左側DGに注入した:AP、ブレグマから-2.1;側部、±1.05mm;腹部、2.1mm。インビボオプトロード記録WGA-Creシステムにおいてオプシン機能性を検証するために、生きている齧歯動物における同時の光学的な刺激および電気的記録を、記録されたニューロンの照射を確実にするために、光ファイバーの先端よりも深い約0.4mm電極の先端を有する光ファイバー約200μmに結合された細胞外タングステン電極1MΩ、約125μmからなるオプトロードを用いて、前に記述されたように行ったGradinaruetal.,2007。光ファイバーは、CrystaLaserからの473nmChR2用または560nmeNpHR3.0用レーザーダイオード10mWのファイバー出力に連結した。オプトロード記録は、1.5イソフルランで麻酔した齧歯動物において行い、オプトロードは、標的領域上に形成された開頭術を通して設置した。pClamp10およびDigidata1322Aボードは、データを回収することと、光ファイバーを通じて光パルスを発生させることの両方のために用いた。記録された信号を、300Hz低/5kHz高でバンドパスフィルターに通した1800微小電極AC増幅器。光ファイバー/電極対の精密な設置のために、定位固定用の器具類を用いた。組織切片の調製脳切片の調製のために、マウスまたはラットを、ウイルスを注射してから4~5週間後に殺処分した。齧歯動物は、20mLの氷冷したPBS、続いて、20mLの4パラホルムアルデヒドで灌流した。次いで、脳を4パラホルムアルデヒド中で一晩固定し、30スクロース溶液に2日間移した。脳を冷凍し、冠状切片40μmを、LeicaSM2000Rクリオスタットで調製し、抗凍結剤PBS中の25グリセロール、30エチレングリコール中で、4°Cで保存した。切片DAPI染色1:50,000を、顕微鏡用スライド上にPVA-DABCOで装着し、単一の共焦点光学的断面例えば、背部のCA1領域を通して、ブレグマよりも約1~2.5mm後方、または背側鉤状回、ブレグマよりも2.7~3mm後方が、Leica共焦点顕微鏡上で、10倍の空気および40倍/1NA油浸対照を用いて得た。上述の実施形態のさらなる詳細および考察については、VivianaGradinaruetal.,Cell141,154-165,April2,2010によるMolecularandCellularApproachesforDiversifyingandExtendingOptogeneticsに参照がなされ得、これは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。参照文献AdamantidisARZhangFAravanisAMDeisserothKanddeLeceaLNeuralsubstratesofawakeningprobedwithoptogeneticcontrolofhypocretinneuronsNature450420424AiranRDThompsonKRFennoLEBernsteinHandDeisserothKTemporallypreciseinvivocontrolofintracellularsignallingNature45810251029AravanisAMWangLPZhangFMeltzerLAMogriMZSchneiderMBandDeisserothKAnopticalneuralinterfaceinvivocontrolofrodentmotorcortexwithintegratedfiberopticandoptogenetictechnologyJNeuralEng4S143S156ArenkielBRPecaJDavisonIGFelicianoCDeisserothKAugustineGJEhlersMDandFengGInvivolightinducedactivationofneuralcircuitryin5transgenicmiceexpressingchannelrhodopsin2Neuron54205218ArrenbergABDelBeneFandBaierHOpticalcontrolofzebrafishbehaviorwithhalorhodopsinProcNatlAcadSciUSA1061796817973BemdtAYizharOGunaydinLAHegemannPandDeisserothKBistableneuralstateswitchesNatNeurosci12229234BiGQandPooMMSynapticmodificationsinculturedhippocampalneuronsdependenceonspiketimingsynapticstrengthandpostsynapticcelltypeJNeurosci181046410472BiACuiJMaYPOlshevskayaEPuMDizhoorAMandPanZHEctopicexpressionofamicrobialtyperhodopsinrestoresvisualresponsesinmicewithphotoreceptordegenerationNeuron502333BoydenESZhangFBambergENagelGandDeisserothKMillisecondtimescalegeneticallytargetedopticalcontrolofneuralactivityNatNeurosci812631268CardinJACarlenMMeletisKKnoblichUZhangFDeisserothKTsaiLHandMooreCIDrivingfastspikingcellsinducesgammarhythmandcontrolssensoryresponsesNature459663667CardinJACarlenMMeletisKKnoblichUZhangFDeisserothKTsaiLHandMooreCITargetedoptogeneticstimulationandrecordingofneuronsinvivousingcelltypespecificexpressionofChannelrhodopsin2NatProtoe5247254ChowBYHanXDobryASQianXChuongASLiMHenningerMABelfortGMLinYMonahanPEandBoydenESHighperformancegeneticallytargetableopticalneuralsilencingbylightdrivenprotonpumpsNature46398102ColechioEMandAllowayKDDifferentialtopographyofthebilateralcorticalprojectionstothewhiskerandforepawregionsinratmotorcortexBrainStructFunct213423439DeisserothKFengGMajewskaAKMiesenbockGTingAandSchnitzerMJNextgenerationopticaltechnologiesforilluminatinggeneticallytargetedbraincircuitsJNeurosci261038010386DouglassADKravesSDeisserothKSchierAFandEngertFEscapebehaviorelicitedbysinglechannelrhodopsin2evokedspikesinzebrafishsomatosensoryneuronsCurrBiol1811331137FleischmannAShykindBMSosulskiDLFranksKMGlinkaMEMeiDFSunYKirklandJMendelsohnMAlbersMWandAxelRMicewithamonoclonalnoseperturbationsinanolfactorymapimpairodordiscriminationNeuron6010681081FreundTFandBuzsakiGIntemeuronsofthehippocampusHippocampus6347470GradinaruVThompsonKRZhangFMogriMKayKSchneiderMBandDeisserothKTargetingandreadoutstrategiesforfastopticalneuralcontrolinvitroandinvivoJNeurosci271423114238GradinaruVThompsonKRandDeisserothKeNpHRaNatronomonashalorhodopsinenhancedforoptogeneticapplicationsBrainCellBiol36129139GradinaruVMogriMThompsonKRHendersonJMandDeisserothKOpticaldeconstructionofparkinsonianneuralcircuitryScience324354359GunaydinLAYizharOBemdtASohalVSDeisserothKandHegemannPUltrafastoptogeneticcontrolNatNeurosci13387392HagglundMBorgiusLDoughertyKJandKiehnOActivationofgroupsofexcitatoryneuronsinthemammalianspinalcordorhindbrainevokeslocomotionNatNeurosci13246252HanXandBoydenESMultiplecoloropticalactivationsilencinganddesynchronizationofneuralactivitywithsinglespiketemporalresolutionPLoSONE2e299HanXQianXBernsteinJGZhouHHFranzesiGTStemPBronsonRTGraybielAMDesimoneRandBoydenESMillisecondtimescaleopticalcontrolofneuraldynamicsinthenonhumanprimatebrainNeuron62191198HanXQianXStemPChuongASandBoydenESInformationallesionsopticalperturbationofspiketimingandneuralsynchronyviamicrobialopsingenefusionsFrontMolNeurosci212HofherrAFaklerBandKlockerNSelectiveGolgiexportofKir21controlsthestoichiometryoffunctionalKir2xchannelheteromersJCellSci11819351943HuberDPetreanuLGhitaniNRanadeSHromadkaTMainenZandSvobodaKSparseopticalmicrostimulationinbarrelcortexdriveslearnedbehaviourinfreelymovingmiceNature4516164HwangRYZhongLXuYJohnsonTZhangFDeisserothKandTraceyWDNociceptiveneuronsprotectDrosophilalarvaefromparasitoidwaspsCurrBiol1721052116IshizukaTKakudaMArakiRandYawoHKineticevaluationofphotosensitivityingeneticallyengineeredneuronsexpressinggreenalgaelightgatedchannelsNeurosciRes548594KalaidzidisIVKalaidzidisYLandKaulenADFlashinducedvoltagechangesinhalorhodopsinfromNatronobacteriumpharaonisFEBSLett4275963KissaKMordeletESoudaisCKremerEJDemeneixBABruletPandCoenLInvivoneuronaltracingwithGFPTTCgenedeliveryMolCellNeurosci20627637LanyiJKandOesterheltDIdentificationoftheretinalbindingproteininhalorhodopsinJBiolChem25726742677LeinESHawrylyczMJAoNAyresMBensingerABernardABoeAFBoguskiMSBrockwayKSByrnesEJetalGenomewideatlasofgeneexpressionintheadultmousebrainNature445168176LerchnerWXiaoCNashmiRSlimkoEMvanTrigtLLesterHAandAndersonDJReversiblesilencingofneuronalexcitabilityinbehavingmicebyageneticallytargetedivermectingatedClchannelNeuron543549LevskayaAWeinerODLimWAandVoigtCASpatiotemporalcontrolofcellsignallingusingalightswitchableproteininteractionNature4619971001LewisTLJrMaoTSvobodaKandArnoldDBMyosindependenttargetingoftransmembraneproteinstoneuronaldendritesNatNeurosci12568576LiXGutierrezDVHansonMGHanJMarkMDChielHHegemannPLandmesserLTandHerlitzeSFastnoninvasiveactivationandinhibition5ofneuralandnetworkactivitybyvertebraterhodopsinandgreenalgaechannelrhodopsinProcNatlAcadSciUSA1021781617821LinJYLinMZSteinbachPandTsienRYCharacterizationofengineeredchannelrhodopsinvariantswithimprovedpropertiesandkineticsBiophysJ9618031814LozierRHBogomolniRAandStoeckeniusWBacteriorhodopsinalightdrivenprotonpumpinHalobacteriumHalobiumBiophysJ15955962MartiTOttoHMogiTRosseletSJHeynMPandKhoranaHGBacteriorhodopsinmutantscontainingsinglesubstitutionsofserineorthreonineresiduesareallactiveinprotontranslocationJBiolChem26669196927MaskosUKissaKStClomentCandBruletPRetrogradetranssynaptictransferofgreenfluorescentproteinallowsthegeneticmappingofneuronalcircuitsintransgenicmiceProcNatlAcadSciUSA991012010125NagelGSzellasTHuhnWKateriyaSAdeishviliNBertholdPOlligDHegemannPandBambergEChannelrhodopsin2adirectlylightgatedcationselectivemembranechannelProcNatlAcadSciUSA1001394013945PatemaJCFeldonJandBuelerHTransductionprofilesofrecombinantadenoassociatedvirusvectorsderivedfromserotypes2and5inthenigrostriatalsystemofratsJVirol7868086817PerreaultMCBernierAPRenaudJSRouxSandGloverJCCfragmentoftetanustoxinhybridproteinsevaluatedformusclespecifictranssynapticmappingofspinalmotorcircuitryinthenewbornmouseNeuroscience141803816PetreanuLHuberDSobczykAandSvobodaKChannelrhodopsin2assistedcircuitmappingoflongrangecallosalprojectionsNatNeurosci10663668PetreanuLMaoTStemsonSMandSvobodaKThesubcellularorganizationofneocorticalexcitatoryconnectionsNature45711421145RatzliffAHHowardALSanthakumarVOsapayIandSolteszIRapiddeletionofmossycellsdoesnotresultinahyperexcitabledentategymsimplicationsforepileptogenesisJNeurosci2422592269RyanMDandDrewJFootandmouthdiseasevirus2AoligopeptidemediatedcleavageofanartificialpolyproteinEMBOJ13928933SanoHNagaiYandYokoiMInducibleexpressionofretrogradetransynapticgenetictracerinmiceGenesis45123128SatoMKuboMAizawaTKamoNKikukawaTNittaKandDemuraMRoleofputativeanionbindingsitesincytoplasmicandextracellularchannelsofNatronomonaspharaonishalorhodopsinBiochemistry4447751784SchroderLangSSchwarzelMSeifertRStrunkerTKateriyaSLooserJWatanabeMKauppUBHegemannPandNagelGFastmanipulationofcellularcAMPlevelbylightinvivoNatMethods43942ShuXRoyantALinMZAguileraTALevRamVSteinbachPAandTsienRYMammalianexpressionofinfraredfluorescentproteinsengineeredfromabacterialphytochromeScience324804807SilberbergGWuCandMarkramHSynapticdynamicscontrolthetimingofneuronalexcitationintheactivatedneocorticalmicrocircuitJPhysiol5561927SimonSMandBlobelGMechanismsoftranslocationofproteinsacrossmembranesSubcellBiochem21115SineshchekovOAGovorunovaEGJungKHZaunerSMaierUGandSpudichJLRhodopsinmediatedphotoreceptionincryptophyteflagellatesBiophysJ8943104319SohalVSZhangFYizharOandDeisserothKParvalbuminneuronsandgammarhythmsenhancecorticalcircuitperformanceNature459698702StoeckeniusWandBogomolniRABacteriorhodopsinandrelatedpigmentsofhalobacteriaAnnuRevBiochem51587616SugitaMandShibaYGenetictracingshowssegregationoftasteneuronalcircuitriesforbitterandsweetScience309781785TangWEhrlichIWolffSBMichalskiAMWolflSHasanMTLuthiAandSprengelRFaithfulexpressionofmultipleproteinsvia2ApeptideselfprocessingaversatileandreliablemethodformanipulatingbraincircuitsJNeurosci2986218629TengholmAandGylfeEOscillatorycontrolofinsulinsecretionMolCellEndocrinol2975872TonnesenJSorensenATDeisserothKLundbergCandKokaiaMOptogeneticcontrolofepileptiformactivityProcNatlAcadSciUSA1061216212167TsaiHCZhangFAdamantidisAStuberGDBonciAdeLeceaLandDeisserothKPhasicfiringindopaminergicneuronsissufficientforbehavioralconditioningScience32410801084TsunodaSPEwersDGazzarriniSMoroniAGradmannDandHegemannPHpumpingrhodopsinfromthemarinealgaAcetabulariaBiophysJ9114711479WangHPecaJMatsuzakiMMatsuzakiKNoguchiJQiuLWangDZhangFBoydenEDeisserothKetalHighspeedmappingofsynapticconnectivityusingphotostimulationinChannelrhodopsin2transgenicmiceProcNatlAcadSciUSA10481438148WuYIFreyDLunguOIJaehrigASchlichtingIKuhlmanBandHahnKMAgeneticallyencodedphotoactivatableRaccontrolsthemotilityoflivingcellsNature461104108YoosephSSuttonGRuschDBHalpemALWilliamsonSJRemingtonKEisenJAHeidelbergKBManningGLiWetalTheSorcererIIGlobalOceanSamplingexpeditionexpandingtheuniverseofproteinfamiliesPLoSBiol5el6YoshimuraYDantzkerJLandCallawayEMExcitatorycorticaneuronsformfinescalefunctionalnetworksNature433868873ZhangYPandOertnerTGOpticalinductionofsynapticplasticityusingalightsensitivechannelNatMethods4139141ZhangFWangLPBoydenESandDeisserothKChannelrhodopsin2andopticalcontrolofexcitablecellsNatMethods3785792ZhangFWangLPBraimerMLiewaldJFKayKWatzkeNWoodPGBambergENagelGGottschalkAandDeisserothKMultimodalfastopticalinterrogationofneuralcircuitryNature446633639ZhangFAravanisAMAdamantidisAdeLeceaLandDeisserothKCircuitbreakersopticaltechnologiesforprobingneuralsignalsandsystemsNatRevNeurosci8577581ZhangFPriggeMBeyriereFTsunodaSPMattisJYizharOHegemannPandDeisserothKRedshiftedoptogeneticexcitationatoolforfastneuralcontrolderivedfromVolvoxcarteriNatNeurosci11631633ZhaoSCunhaCZhangFLiuQGlossBDeisserothKAugustineGJandFengGImprovedexpressionofhalorhodopsinforlightinducedsilencingofneuronalactivityBrainCellBiol36141154本明細書に開示される全ての参考文献、刊行物、および特許出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。上記の種々の実施形態は、説明のために提供されるに過ぎず、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。上記の考察および説明に基づいて、本明細書に説明および記載される例示的な実施形態および応用例に厳密に従わずに、本発明に種々の修正および変更がなされ得ることが、当業者には、容易に理解されよう。例えば、そのような変更には、放射光を制御するためのデジタル論理またはマイクロプロセッサの使用が含まれ得る。そのような修正および変更は、以下の請求項に記載される、本発明の真の精神および範囲から逸脱しない。上で考察されたように、本発明に関連して詳述される特定の応用および背景が、上記、以下の説明、および本明細書で引用される参照文献を通じて考察される。付録における実施形態は、上述の実施形態および実行形態のうちの1つ以上、ならびに図に示され、以下に説明されるものに関連して実行することができる。付録A、B、およびCに参照がなされ得、これらは、この基礎となる仮出願で出願され、参照により本明細書に組み込まれる。"