"個体の神経細胞の原形質膜を脱分極化する方法であって、a前記神経細胞に近接して複数のランタニドをドープしたナノ粒子を配置することと、b前記複数のナノ粒子を、赤外線IRまたは近赤外線NIRスペクトル内の電磁放射線に暴露させることであって、前記IRまたはNIRスペクトル内の前記電磁放射線は、前記ナノ粒子によって可視スペクトル内の光に上方変換され、光応答性オプシンが、前記神経細胞の前記原形質膜上で発現され、前記可視スペクトル内の前記光による前記オプシンの活性化は、前記原形質膜の脱分極を誘発することと、を含む、方法。個体の神経細胞の原形質膜を脱分極化する方法であって、a光応答性オプシンを符号化するポリヌクレオチドを個体に投与することであって、前記光応答性タンパク質は、前記個体の神経細胞の原形質膜上で発現され、前記オプシンは、光で照射された時に前記神経細胞の膜脱分極を誘発することが可能であることと、b前記神経細胞に近接して複数のランタニドをドープしたナノ粒子を投与することと、c前記複数のナノ粒子を、赤外線IRまたは近赤外線NIRスペクトル内の電磁放射線に暴露させることであって、前記IRまたはNIRスペクトル内の前記電磁放射線は、可視スペクトル内の光に上方変換され、前記可視スペクトル内の前記光によるオプシンの活性化は、前記原形質膜の脱分極を誘発することと、を含む、方法。前記光応答性オプシンは、ChR2、VChR1、またはC1V1である、請求項1または2に記載の方法。前記光応答性オプシンは、SFO、SSFO、C1V1-E122、C1V1-E162、およびC1V1-E122/E162から成る群より選択される、請求項1または2に記載の方法。前記ランタニド金属は、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、およびルテチウムから成る群より選択される、請求項1~4のうちのいずれか1項に記載の方法。前記ナノ粒子は、NaYF4:Yb/X/Gdを含み、Xは、Er、Tm、またはEr/Tmである、請求項1~5のうちのいずれか1項に記載の方法。前記IRまたはNIRスペクトル内の前記電磁放射線は、約450nmから約550nmの波長を有する光に上方変換される、請求項1~6のうちのいずれか1項に記載の方法。前記IRまたはNIRスペクトル内の電磁エネルギーは、赤色、黄色、または琥珀色光に対応する波長を有する光に上方変換される、請求項1~6のうちのいずれか1項に記載の方法。前記IRまたはNIRスペクトル内の電磁エネルギーは、緑色または青色光に対応する波長を有する光に上方変換される、請求項1~6のうちのいずれか1項に記載の方法。前記個体は、ヒトではない動物である、請求項1~9のうちのいずれか1項に記載の方法。前記個体は、ヒトである、請求項1~9のうちのいずれか1項に記載の方法。前記神経細胞は、中枢神経系内の神経細胞である、請求項1~11のうちのいずれか1項に記載の方法。前記神経細胞は、末梢神経系内の神経細胞である、請求項1~11のうちのいずれか1項に記載の方法。個体の神経細胞の原形質膜を過分極化する方法であって、a前記神経細胞に近接して複数のランタニドをドープしたナノ粒子を配置することと、b前記複数のナノ粒子を、赤外線IRまたは近赤外線NIRスペクトル内の電磁放射線に暴露させることであって、前記IRまたはNIRスペクトル内の前記電磁放射線は、前記ナノ粒子によって可視スペクトル内の光に上方変換され、光応答性オプシンが、前記原形質膜上で発現され、前記可視スペクトル内の前記光による前記オプシンの活性化は、前記原形質膜の過分極を誘発することと、を含む、方法。個体の神経細胞の原形質膜を過分極化する方法であって、a光応答性オプシンを符号化するポリヌクレオチドを個体に投与することであって、前記光応答性タンパク質は、前記個体の神経細胞の原形質膜上で発現され、前記オプシンは、光で照射された時に前記神経細胞の膜過分極を誘発することが可能であることと、b前記神経細胞に近接して複数のランタニドをドープしたナノ粒子を投与することと、c前記複数のナノ粒子を、赤外線IRまたは近赤外線NIRスペクトル内の電磁放射線に暴露させることであって、前記IRまたはNIRスペクトル内の前記電磁放射線は、可視スペクトル内の光に上方変換され、前記可視スペクトル内の前記光によるオプシンの活性化は、前記原形質膜の過分極を誘発することと、を含む、方法。前記光応答性オプシンは、NpHRまたはGtR3である、請求項14または15に記載の方法。前記ランタニド金属は、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、およびルテチウムから成る群より選択される、請求項14または15に記載の方法。前記ナノ粒子は、NaYF4:Yb/X/Gdを含み、Xは、Er、Tm、またはEr/Tmである、請求項14~17のうちのいずれか1項に記載の方法。前記IRまたはNIRスペクトル内の前記電磁エネルギーは、約450nmから約550nmの波長を有する光に上方変換される、請求項14~18のうちのいずれか1項に記載の方法。前記IRまたはNIRスペクトル内の電磁エネルギーは、赤色、黄色、または琥珀色光に対応する波長を有する光に上方変換される、請求項14~18のうちのいずれか1項に記載の方法。前記IRまたはNIRスペクトル内の電磁エネルギーは、緑色または青色光に対応する波長を有する光に上方変換される、請求項14~18のうちのいずれか1項に記載の方法。前記個体は、ヒトではない動物である、請求項14~21のうちのいずれか1項に記載の方法。前記個体は、ヒトである、請求項14~21のうちのいずれか1項に記載の方法。前記神経細胞は、中枢神経系内の神経細胞である、請求項14~23のうちのいずれか1項に記載の方法。前記神経細胞は、末梢神経系内の神経細胞である、請求項14~23のうちのいずれか1項に記載の方法。単独で、または組み合わせて、以下のうちの少なくとも1つを使用するデバイスまたは方法であって、受容した光を別の周波数に上方変換するように構成されるナノ粒子、および他の周波数に応答する光応答性オプシンを含む前記ナノ粒子の付近の標的細胞集団に関する、デバイスまたは方法。単独で、または組み合わせて、以下のうちの少なくとも1つを使用するデバイスまたは方法であって、オプシン遺伝子を持つウイルスおよびナノ粒子溶液を関心部位に注射することであって、前記ウイルスは、前記関心部位における標的細胞集団に前記オプシン遺伝子を発現させ、前記ナノ粒子は、前記標的細胞集団に固着されることと;前記関心部位に基づいて選択される場所で、皮下の薄くなった頭蓋骨の上に発光ダイオードを配置することと;前記発光ダイオードを使用して、近赤外線光パルスを前記ナノ粒子に提供することであって、前記ナノ粒子は、前記近赤外線光パルスを受容し、前記パルスを前記可視スペクトル内の光に上方変換し、前記可視スペクトル内の前記光は、前記標的細胞集団内の前記オプシン遺伝子を活性化することとを含む、デバイスまたは方法。前記ナノ粒子は、ドープしたナノ粒子である、請求項26又は27に記載の方法またはデバイス。発光ダイオードは、約700nmから1,000nmにおける光を送達する、請求項26~28のうちのいずれかに記載の方法またはデバイス。前記ナノ粒子は、450~550nmの間の光を発する、請求項26~29のうちのいずれかに記載の方法またはデバイス。単独で、または組み合わせて、以下のうちの少なくとも1つを使用するデバイスまたは方法であって、患者の薄くなった頭蓋骨の上に配置される発光ダイオードと、ナノ粒子溶液であって、前記ナノ粒子は、標的細胞集団に固着され、前記発光ダイオードからの赤外光のパルスを可視光スペクトルに上方変換するナノ粒子溶液と、可視光に応答する光応答性分子によって修飾される前記標的細胞集団とを含む、デバイスまたは方法。本開示で論議されるような1つ以上の実施形態と一致する、生体内光送達システムおよび/または方法。本発明は、とりわけ、神経細胞の原形質膜上で1つ以上の光応答性オプシンタンパク質を発現する、それらの神経細胞へ光を送達するための組成物および方法を提供する。本発明者らは、神経細胞の原形質膜上の光応答性オプシンタンパク質を活性化し、細胞の膜分極状態を選択的に改変するために、赤外線IRまたは近赤外線NIR電磁放射線を可視光スペクトルに対応する波長に変換する、ランタニド金属例えば、ガドリニウムでドープされたナノ粒子を使用することができると発見した。可視光と違って、IRまたはNIR電磁エネルギーは、生物組織に容易に浸透する。例えば、NIRは、最大で4センチメートルの距離にわたって生物組織に浸透することができるHeywardDaleWagner,AppliedBodyCompositionAssessment,2ndedition2004,p.100。波長の関数としての組織中の光浸透を計算するために有用なある方程式が、米国特許第7,043,287号で開示され、その内容は参照することにより本明細書に組み込まれる。同様に、米国特許出願公開第2007/0027411号は、近赤外線低水準レーザ治療光が3~5cmの間の深さまで身体に浸透することを開示している。したがって、光遺伝的方法での電磁放射線のIRまたはNIR源の使用は、神経細胞に直接近接して光源を配置する必要性を軽減することができる。具体的には、脳での光遺伝的技法については、IRまたはNIR電磁エネルギーと組み合わせた、ランタニドをドープしたナノ粒子の使用が、頭蓋骨を穿孔する、または光ファイバ光源を脳に挿入する必要なく、オプシンタンパク質の活性化を可能にすることができる。同様に、末梢神経系では、皮下に配置された、または皮膚に対して装着されたIRまたはNIR源を介して、オプシン発現神経を活性化することができる。一般的技法本発明の実践は、特に指示されない限り、当業者に周知である、分子生物学、微生物学、細胞生物学、生化学、核酸化学、免疫学、および生理学の従来の技法を採用する。そのような技法は、MolecularCloning:ALaboratoryManual,secondeditionSambrooketal.,1989andMolecularCloning:ALaboratoryManual,thirdeditionSambrookandRussel,2001,jointlyreferredtohereinasSambrook;CurrentProtocolsinMolecularBiologyF.M.Ausubeletal.,eds.,1987,includingsupplementsthrough2001;PCR:ThePolymeraseChainReaction,Mullisetal.,eds.,1994;HarlowandLane1988,Antibodies,ALaboratoryManual,ColdSpringHarborPublications,NewYork;HarlowandLane1999,UsingAntibodies:ALaboratoryManual,ColdSpringHarborLaboratoryPress,ColdSpringHarbor,NYjointlyreferredtohereinasHarlowandLane,Beaucageetal.eds.,CurrentProtocolsinNucleicAcidChemistry,JohnWileySons,Inc.,NewYork,2000,HandbookofExperimentalImmunology,4theditionD.M.WeirC.C.Blackwell,eds.,BlackwellScienceInc.,1987、およびGeneTransferVectorsforMammalianCellsJ.M.MillerM.P.Calos,eds.,1987等の文献で十分に説明されている。他の有用な参考文献は、HarrisonのPrinciplesofInternalMedicineMcGrawHill;J.Isseleacheretal.,eds.、およびLanthanideLuminescence:Photophysical,AnalyticalandBiologicalAspectsSpringer-Verlag,Berlin,Heidelberg;HanninenHarma,eds.,2011を含む。定義本明細書で使用されるように、赤外線または近赤外線または赤外光または近赤外光とは、0.74μmにおける可視赤色光の公称境界から測定され、300μmにまで及ぶ、可視光の直上にあるスペクトル内の電磁放射線を指す。これらの波長は、約1から400THzの周波数範囲に対応する。具体的には、近赤外線または近赤外光はまた、水の吸収によって定義される、波長が0.75~1.4μmとなる電磁放射線も指す。可視光は、380nmから750nmの間の波長を伴う電磁放射線として定義される。一般に、光を含む電磁放射線は、高い熱エネルギーを伴う分子または隣接原子の一部あるいは原子または分子中の電子等の帯電粒子の移動振動の加速および減速または変化によって生成される。本明細書で使用されるようなナノ粒子という用語はまた、ナノ結晶、ナノロッド、ナノクラスタ、クラスタ、粒子、ドット、量子ドット、小粒子、およびナノ構造材料を指すこともできる。ナノ粒子という用語は、量子サイズ効果と関連付けられる、100nm未満の必ずしもではないが一般的に小さいサイズを伴う全ての材料を包含する。個体は、ヒトを含むほ乳類である。ほ乳類は、家畜、スポーツ用動物、ペット、霊長類、マウス、およびラットを含むが、それらに限定されない。個体はまた、イヌおよびネコを含むが、それらに限定されない、伴侶動物も含む。いくつかの態様では、個体は、ほ乳類等のヒトではない動物である。別の態様では、個体は、ヒトである。本明細書で使用されるように、1つのおよびそのという単数形は、特に指示されない限り、複数の参照を含む。本明細書の全体を通して挙げられる全ての最大数値制限は、全てのより低い数値制限が本明細書で明示的に書かれたかのように、そのようなより低い数値制限を含むことが意図される。本明細書の全体を通して挙げられる全ての最小数値制限は、全てのより高い数値制限が本明細書で明示的に書かれたかのように、そのようなより高い数値制限を含む。本明細書の全体を通して挙げられる全ての数値範囲は、そのようなより広い数値範囲内に入る全てのより狭い数値範囲が、本明細書で明示的に書かれたかのように、そのようなより狭い数値範囲を含む。ランタニドをドープしたナノ粒子材料科学では、ドーピングは、特定の鉄または原子種をホスト格子核構造に組み込んで、新しい有用な性質を伴うハイブリッド材料を生産するために一般的に使用されている。ナノ粒子を合成する時に、ドーピングは、粒子のサイズおよび形状だけでなく、近赤外線NIR励起を可視発光に変換する能力等の他の性質にも影響を及ぼすことができる。ランタニド金属またはランタノイド希土類金属としても知られているは、原子番号57ランタンから71ルテチウムの要素であり、しばしば、それらの化学的類似性により、イットリウム原子番号39およびスカンジウム原子番号21を含む。ランタニドイオンは、光子上方変換として知られている過程を通して、近赤外線長波長励起放射をより短い可視波長に変換する能力を含む、独特のルミネセンス特性を示す。ランタニドは通常、三価カチオンとして存在し、その場合、それらの電子構成は、1Ce3から14Lu3まで様々であるnを伴うXe4fである。f多様体内の遷移は、長期ルミネセンスならびに明確な吸収および発光線等の、ランタニドイオンの光物理的性質の多くに関与する。f電子は、充填5sおよび5p軌道によって外部摂動から保護され、したがって、線状スペクトルを生じる。加えて、ランタニドのf-f電子遷移は、ラポルテの法則で禁止され、マイクロ~ミリ秒範囲内で長い励起状態存続期間につながる。いくつかの実施形態では、ランタニドをドープしたナノ粒子を合成するために、任意の公知の方法を使用することができる。そのような方法は、当技術分野で周知である例えば、そのそれぞれの開示が、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、XuLi,2007,ClinChem.,538:1503-10;Wangetal.,2010,Nature,4637284:1061-5;米国特許出願公開第2003/0030067号および第2010/0261263号、ならびに米国特許第7,550,201号を参照されたい。例えば、いくつかの実施形態では、ランタニドをドープしたナノロッドをNaYF4誘電体コアで合成することができ、0.3gNaOHの脱イオン水溶液1.5mlが、撹拌下で5mlのエタノールおよび5mlのオレイン酸と混合される。結果として生じる混合物に、2mlのRECl30.2M、RE=Y、Yb、Er、Gd、Sm、Nd、またはLaおよび1mlのNH4F2Mが選択的に添加される。次いで、溶液は、オートクレーブの中へ移され、200°Cで2時間加熱される。次いで、遠心分離によってナノロッドが得られ、水およびエタノールで数回洗浄され、最終的にシクロヘキサン中で再分散させられる。別の非限定的実施例では、3mlのオレイン酸および7mlの1-オクタデセンを含有するフラスコに添加されたメタノール中の2mlのRECl30.2M、RE=Y、Yb、Er、Gd、またはTmを使用して、ナノ粒子を合成することができる。次いで、この溶液は、160°Cで30分間加熱され、室温まで冷却される。その後、NH4F1.6mmolおよびNaOH1mmolの5mlメタノール溶液が添加され、溶液は30分間撹拌される。メタノールの蒸発後、溶液は次に、アルゴン下で1.5時間にわたって300°Cまで加熱され、室温まで冷却される。結果として生じるナノ粒子は、エタノールの添加によって沈殿させられ、遠心分離によって収集され、メタノールおよびエタノールで数回洗浄され、最終的にシクロヘキサン中で再分散させられる。一実施形態では、ランタニドをドープしたナノ粒子コアの材料は、多種多様な誘電材料を含むことができる。種々の実施形態では、誘電体コアは、ランタニドをドープした酸化物材料を含むことができる。ランタニドは、ランタンLa、セリウムCe、プラセオジムPr、ネオジムNd、プロメチウムPm、サマリウムSm、ユーロピウムEu、ガドリニウムGd、テルビウムTb、ジスプロシウムDy、ホルミウムHo、エルビウムEr、ツリウムTm、イッテルビウムYb、およびルテチウムLuを含む。他の好適な誘電体コア材料は、イットリウムYおよびスカンジウムSc等の非ランタニド元素を含む。したがって、好適な誘電体コア材料は、Y2O3、Y2O2S、NaYF4、NaYbF4、NaをドープしたYbF3、YAG、YAP、Nd2O3、LaF3、LaCl3、La2O3、TiO2、LuPO4、YVO4、YbF3、YF3、またはSiO2を含むが、それらに限定されない。一実施形態では、誘電体ナノ粒子コアは、NaYF4である。これらの誘電体コアは、1つ以上のEr、Eu、Yb、Tm、Nd、Tb、Ce、Y、U、Pr、La、Gd、および他の希土類種、またはそれらの組み合わせでドープすることができる。一実施形態では、誘電体コア材料は、Gdでドープされる。別の実施形態では、ランタニドをドープしたナノ粒子は、NaYF4:Yb/X/Gdを含み、Xは、Er、Tm、またはEr/Tmである。いくつかの実施形態では、ランタニドをドープしたナノ粒子は、約0mol、約5mol、約10mol、約15mol、約20mol、約25mol、約30mol、約35mol、約40mol、約45mol、約50mol、約55mol、または約60molGd3イオンを含めた、これらの値の間の任意のmolを含む、いずれかでドープされたNaYF4:Yb/Er18/2mol誘電体コアを含む。他の実施形態では、ランタニドをドープしたナノ粒子は、約0mol、約5mol、約10mol、約15mol、約20mol、約25mol、または約30molYb3イオンを含めた、これらの値の間の任意のmolを含む、いずれかでドープされたNaYF4:Yb/Er18/2mol誘電体コアを含む。さらに他の実施形態では、ランタニドをドープしたナノ粒子は、約0mol、約5mol、約10mol、約15mol、約20mol、約25mol、または約30molEr3イオンを含めた、これらの値の間の任意のmolを含む、いずれかでドープされたNaYF4:Yb/Er18/2mol誘電体コアを含む。他の実施形態では、ランタニドをドープしたナノ粒子は、約0mol、約5mol、約10mol、約15mol、約20mol、約25mol、または約30molTm3イオンを含めた、これらの値の間の任意のmolを含む、いずれかでドープされたNaYF4:Yb/Er18/2mol誘電体コアを含む。別の実施形態では、ランタニドをドープしたナノ粒子は、NaYF4:Yb/Er/Gd18/2/5mol、NaYF4:Yb/Tm/Er/Gd20/0.2/0.1/5mol、NaYF4:Yb/Tm/Er/Gd20/0.2/0.05/5mol、およびNaYF4:Yb/Tm/Gd20/0.2/5molから成る群より選択される。いくつかの態様では、本明細書で開示されるランタニドをドープしたナノ粒子は、関心の神経細胞その原形質膜上で1つ以上の光応答性オプシンタンパク質を発現する神経細胞等の表面上で発現される1つ以上の分子に、1つ以上の送達分子を標的化するように、それらに共役される。これらは、制限なく、抗体またはそれらの断片、小分子、ならびにレクチンまたは任意の他の炭水化物モチーフを含むことができる。送達分子は、ランタニドをドープしたナノ粒子が、IRまたはNIR電磁放射線の上方変換時に活性化を可能にするように、オプシンタンパク質にごく接近したままであることを確実にする。ナノ粒子への抗体共役は、当技術分野で周知である例えば、そのそれぞれの内容が、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第2010/0209352号および第2008/0267876号を参照。別の態様では、ランタニドをドープしたナノ粒子は、関心の神経細胞その原形質膜上で1つ以上の光応答性オプシンタンパク質を発現する神経細胞等の近位に隣接して、または周辺等外科的に配置される、生体適合性材料内に埋め込む、または閉じ込めることができる。いくつかの実施形態では、ランタニドをドープしたナノ粒子によるIRまたはNIR電磁放射線の上方変換によって産生される可視光が、関心の神経細胞の表面上で発現される光応答性オプシンタンパク質に到達することができるように、生体適合性材料は透明である。ランタニドをドープしたナノ粒子を埋め込む、または閉じ込めるために使用される生体適合性材料は、Ioplex材料および2-ヒドロキシエチルメタクリレートまたはアクリルアミドに基づくもの等の他のヒドロゲル、およびBiomerEthiconCorp.、AvcothaneAvco-EverrettLaboratoriesを含む、ポリエーテルポリウレタン尿素PEUU、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレンGore-Tex商標、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサン、エチレンアクリル酸共重合体、編物または織物Dacron、ポリエステルポリウレタン、ポリウレタン、ポリカーボネートポリウレタンCorethane商標、ポリアミドNylon、およびポリスチレンを含むことができるが、それらに限定されない。一実施形態では、生体適合性材料は、ポリジメチルシロキサンPDMSとなり得る。本明細書で開示されるランタニドをドープしたナノ粒子を埋め込む、および/または閉じ込めるために使用されてもよい、付加的な化合物は、そのそれぞれの内容が、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、Kirk-Othmer,EncyclopediaofChemicalTechnology,3rdEdition1982Vol.19,pp.275-313,andVol.18,pp.219-2220,vanderGiessenetal.,1996,Circulation,94:1690-19971996、米国特許出願公開第2011/0054305号、および米国特許第6,491,965号で説明されている。光応答性オプシンタンパク質本明細書では、中枢または末梢神経系のニューロンを選択的に過分極化または脱分極化するための光遺伝学ベースの組成物が提供される。光遺伝学とは、機能している無傷の生体系とペースを保つために必要とされる時間精度ミリ秒の時間尺度で、自由に行動しているほ乳類および他の動物の体内でさえも、生体組織の標的細胞内の特定の事象を制御するために使用される、遺伝的および光学的方法の組み合わせを指す。光遺伝学は、特定の標的機構の使用を通して細胞型分解能を維持しながら、ニューロン膜電位の時間的に正確な操作を可能にする、標的神経細胞の原形質膜への高速光応答性チャネルまたはポンプタンパク質の導入を必要とする。本発明で使用されてもよい、光応答性オプシンは、光によってニューロンにおける過分極を誘発するオプシンと、光によってニューロンにおける脱分極を誘発するオプシンとを含む。オプシンの実施例は、以下の表1および2で示される。本明細書で使用されるように、光応答性オプシンNpHR、BR、AR、GtR3、Mac、ChR2、VChR1、DChR、およびChETA等は、自然発生タンパク質および機能的変異形、断片、断片を含む融合タンパク質、または全長タンパク質を含む。例えば、シグナルペプチドが削除されてもよい。変異形は、自然発生タンパク質配列と少なくとも約90、91、92、93、94、95、96、97、98、99、または100のうちのいずれかで同一である、アミノ酸配列を有してもよい。機能的変異形は、自然発生タンパク質と同じまたは同様の過分極機能または脱分極機能を有してもよい。強化細胞内輸送アミノ酸モチーフ本開示は、ほ乳類細胞の原形質膜への輸送を強化する、1つ以上のアミノ酸配列モチーフの追加によって、細胞において発現される光応答性オプシンタンパク質の修飾を提供する。進化的により単純な生物に由来する構成要素を有する、光応答性オプシンタンパク質は、ほ乳類細胞によって発現されない、または耐えられなくてもよく、あるいはほ乳類細胞において高レベルで発現された時に低下した細胞内局在性を示してもよい。その結果として、いくつかの実施形態では、細胞において発現される光応答性オプシンタンパク質は、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/またはN末端ゴルジ移行シグナルから成る群より選択される、1つ以上の1つ以上のアミノ酸配列モチーフに融合させることができる。ほ乳類細胞の原形質膜への光応答性オプシンタンパク質輸送を強化する、1つ以上のアミノ酸配列モチーフは、光応答性オプシンタンパク質のN末端、C末端、またはNおよびC末端の両方に融合させることができる。随意で、光応答性オプシンタンパク質および1つ以上のアミノ酸配列モチーフは、リンカーによって分離されてもよい。いくつかの実施形態では、光応答性オプシンタンパク質は、細胞原形質膜へのタンパク質の輸送を強化する輸送シグナルtsの追加によって修飾することができる。いくつかの実施形態では、輸送シグナルは、ヒト内向き整流カリウムチャネルKir2.1のアミノ酸配列から導出することができる。他の実施形態では、輸送シグナルは、アミノ酸配列KSRITSEGEYIPLDQIDINVを含むことができる。細胞の原形質膜への光応答性オプシンタンパク質の輸送を強化することができる、付加的なタンパク質モチーフは、その全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第2009/0093403号で説明されている。いくつかの実施形態では、タンパク質の中のシグナルペプチド配列を削除するか、または異なるタンパク質からのシグナルペプチド配列と置換することができる。光応答性塩素ポンプいくつかの態様では、本明細書で説明される光応答性オプシンタンパク質は、光応答性塩素ポンプである。本明細書で提供される方法のいくつかの態様では、光応答性塩素ポンプのハロロドプシン族の1つ以上の構成要素が、中枢および末梢神経系のニューロンの原形質膜上で発現される。いくつかの態様では、中枢または末梢神経系の神経細胞の原形質膜上で発現される、1つ以上の光応答性塩素ポンプタンパク質は、ナトロノモナスパラオニスに由来することができる。いくつかの実施形態では、光応答性塩素ポンプタンパク質は、琥珀色光ならびに赤色光に応答することができ、光応答性塩素ポンプタンパク質が琥珀色または赤色光で照射された時に、介在ニューロン内の過分極電流を仲介することができる。光応答性塩素ポンプを活性化することができる光の波長は、約580から約630nmの間となり得る。いくつかの実施形態では、光は、約590nmの波長にあり得る、または光は、約630nmよりも大きい例えば、約740nm未満波長を有することができる。別の実施形態では、光は、約630nmの波長を有する。いくつかの実施形態では、光応答性塩素ポンプタンパク質は、光の連続パルスに暴露された時に、少なくとも約90分にわたって神経細胞膜を過分極化することができる。いくつかの実施形態では、光応答性塩素ポンプタンパク質は、配列番号1で示される配列と少なくとも約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ことができる。加えて、光応答性塩素ポンプタンパク質は、光に対する感受性を増加または減少させ、光の特定の波長に対する感受性を増加または減少させ、および/または細胞の原形質膜の分極状態を調節する光応答性タンパク質の能力を増加または減少させるように、天然アミノ酸配列に導入される置換、削除、および/または挿入を含むことができる。いくつかの実施形態では、光応答性塩素ポンプタンパク質は、1つ以上の保存アミノ酸置換を含有する。いくつかの実施形態では、光応答性タンパク質は、1つ以上の非保存アミノ酸置換を含有する。天然アミノ酸配列に導入される置換、削除、および/または挿入を含む、光応答性タンパク質は、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好適に保持する。加えて、他の態様では、光応答性塩素ポンプタンパク質は、配列番号1で示される配列と少なくとも約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ことができる。このER移行シグナルは、コアアミノ酸配列のC末端に融合させることができ、またはコアアミノ酸配列のN末端に融合させることができる。いくつかの実施形態では、ER移行シグナルは、リンカーによってコアアミノ酸配列に結合される。リンカーは、長さで約5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500個のうちのいずれかであるアミノ酸を含むことができる。リンカーはさらに、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、またはシアン蛍光タンパク質であるが、それらに限定されない、蛍光タンパク質を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ER移行シグナルは、アミノ酸配列FXYENEを含むことができ、Xは、任意のアミノ酸となり得る。別の実施形態では、ER移行シグナルは、アミノ酸配列VXXSLを含むことができ、Xは、任意のアミノ酸となり得る。いくつかの実施形態では、ER移行シグナルは、アミノ酸配列FCYENEVを含むことができる。他の態様では、本明細書で提供される光応答性塩素ポンプタンパク質は、細胞膜上で発現される光応答性タンパク質を含むことができ、タンパク質は、配列番号1で示される配列と少なくとも約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、輸送シグナル例えば、原形質膜への光応答性塩素ポンプタンパク質の輸送を強化することができるとを含む。輸送シグナルは、コアアミノ酸配列のC末端に融合させることができ、またはコアアミノ酸配列のN末端に融合させることができる。いくつかの実施形態では、輸送シグナルは、長さで約5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500個のうちのいずれかであるアミノ酸を含むことができる、リンカーによって、コアアミノ酸配列に結合することができる。リンカーはさらに、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、またはシアン蛍光タンパク質であるが、それらに限定されない、蛍光タンパク質を含んでもよい。いくつかの実施形態では、輸送シグナルは、ヒト内向き整流カリウムチャネルKir2.1のアミノ酸配列から導出することができる。他の実施形態では、輸送シグナルは、アミノ酸配列KSRITSEGEYIPLDQIDINVを含むことができる。いくつかの態様では、光応答性塩素ポンプタンパク質は、配列番号1で示される配列と少なくとも約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、シグナルペプチド、および膜輸送シグナルから成る群より選択される、ほ乳類細胞の原形質膜への輸送を強化する、少なくとも1つの1つ、2つ、3つ、またそれ以上等アミノ酸配列モチーフとを含むことができる。いくつかの実施形態では、光応答性塩素ポンプタンパク質は、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末端輸送シグナルを含む。いくつかの実施形態では、C末端ER移行シグナルおよびC末端輸送シグナルは、リンカーによって結合することができる。リンカーは、長さで約5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500個のうちのいずれかであるアミノ酸を含むことができる。リンカーはまた、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、またはシアン蛍光タンパク質であるが、それらに限定されない、蛍光タンパク質をさらに含むこともできる。いくつかの実施形態では、ER移行シグナルは、輸送シグナルよりもC末端に位置することができる。他の実施形態では、輸送シグナルは、ER移行シグナルよりもC末端に位置することができる。いくつかの実施形態では、シグナルペプチドは、アミノ酸配列MTETLPPVTESAVALQAEを含む。別の実施形態では、光応答性塩素ポンプタンパク質は、配列番号2と少なくとも95同一であるアミノ酸配列を含む。また、他の態様では、光応答性塩素ポンプタンパク質は、配列番号1で示される配列と少なくとも約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ことができ、配列番号1のN末端シグナルペプチドは、削除または置換される。いくつかの実施形態では、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使用することができる。光応答性タンパク質はさらに、本明細書で説明されるER移行シグナルおよび/または膜輸送シグナルを含むことができる。いくつかの実施形態では、光応答性塩素ポンプタンパク質は、配列番号3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では、光応答性オプシンタンパク質は、配列番号1で示される配列と少なくとも95、少なくとも96、少なくとも97、少なくとも98、少なくとも99、または100同一であるアミノ酸配列を含む、NpHRオプシンタンパク質である。いくつかの実施形態では、NpHRオプシンタンパク質はさらに、小胞体ER移行シグナルおよび/または膜輸送シグナルを含む。例えば、NpHRオプシンタンパク質は、配列番号1で示される配列と少なくとも95同一であるアミノ酸配列と、小胞体ER移行シグナルとを含む。いくつかの実施形態では、配列番号1で示される配列と少なくとも95同一であるアミノ酸配列は、リンカーを通してER移行シグナルに結合される。いくつかの実施形態では、ER移行シグナルは、アミノ酸配列FXYENEを含み、Xは、任意のアミノ酸となり得る。別の実施形態では、ER移行シグナルは、アミノ酸配列VXXSLを含み、Xは、任意のアミノ酸となり得る。いくつかの実施形態では、ER移行シグナルは、アミノ酸配列FCYENEVを含む。いくつかの実施形態では、NpHRオプシンタンパク質は、配列番号1で示される配列と少なくとも95同一であるアミノ酸配列と、ER移行シグナルと、膜輸送シグナルとを含む。他の実施形態では、NpHRオプシンタンパク質は、N末端からC末端まで、配列番号1で示される配列と少なくとも95同一であるアミノ酸配列と、ER移行シグナルと、膜輸送シグナルとを含む。他の実施形態では、NpHRオプシンタンパク質は、N末端からC末端まで、配列番号1で示される配列と少なくとも95同一であるアミノ酸配列と、膜輸送シグナルと、ER移行シグナルとを含む。いくつかの実施形態では、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のアミノ酸配列から導出される。いくつかの実施形態では、膜輸送シグナルは、アミノ酸配列KSRITSEGEYIPLDQIDINVを含む。いくつかの実施形態では、膜輸送シグナルは、リンカーによって、配列番号1で示される配列と少なくとも95同一であるアミノ酸配列に結合される。いくつかの実施形態では、膜輸送シグナルは、リンカーを通してER移行シグナルに結合される。リンカーは、長さで5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500個のうちのいずれかであるアミノ酸を含んでもよい。リンカーはさらに、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、またはシアン蛍光タンパク質であるが、それらに限定されない、蛍光タンパク質を含んでもよい。いくつかの実施形態では、光応答性オプシンタンパク質はさらに、N末端シグナルペプチドを含む。いくつかの実施形態では、光応答性オプシンタンパク質は、配列番号2のアミノ酸配列を含む。いくつかの実施形態では、光応答性オプシンタンパク質は、配列番号3のアミノ酸配列を含む。また、本明細書では、配列番号1で示される配列と少なくとも約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、光応答性タンパク質等の、本明細書で説明される光応答性塩素イオンポンプタンパク質のうちのいずれかを符号化するポリヌクレオチドも提供される。別の実施形態では、ポリヌクレオチドは、配列番号2および/または配列番号3と少なくとも95同一であるアミノ酸を符号化する、配列を含む。ポリヌクレオチドは、発現ベクター本明細書で説明されるウイルスベクター等であるが、それに限定されないの中にあってもよい。ポリヌクレオチドは、中枢または末梢神経系のニューロンでの光応答性塩素イオンポンプタンパク質の発現に使用されてもよい。光応答性塩素ポンプタンパク質に関係付けられるさらなる開示は、米国特許出願公開第2009/0093403号および第2010/0145418号、ならびに国際特許出願第PCT/US2011/028893号で見出すことができ、そのそれぞれの開示は、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。光応答性プロトンポンプいくつかの態様では、本明細書で説明される光応答性オプシンタンパク質は、光応答性プロトンポンプである。本明細書で提供される組成物および方法のいくつかの態様では、1つ以上の光応答性プロトンポンプが、中枢または末梢神経系のニューロンの原形質膜上で発現される。いくつかの実施形態では、光応答性プロトンポンプタンパク質は、青色光に応答することができ、かつグィラルディアセータに由来することができ、プロトンポンプタンパク質は、細胞が青色光で照射された時に、過分極電流を仲介することが可能となり得る。光は、約450から約495nmの間の波長を有することができ、または約490nmの波長を有することができる。別の実施形態では、光応答性プロトンポンプタンパク質は、配列番号4で示される配列と少なくとも約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ことができる。光応答性プロトンポンプタンパク質は、加えて、光に対する感受性を増加または減少させ、光の特定の波長に対する感受性を増加または減少させ、および/または細胞の原形質膜の分極状態を調節する光応答性プロトンポンプタンパク質の能力を増加または減少させるように、天然アミノ酸配列に導入される置換、削除、および/または挿入を含むことができる。加えて、光応答性プロトンポンプタンパク質は、1つ以上の保存アミノ酸置換および/または1つ以上の非保存アミノ酸置換を含有することができる。天然アミノ酸配列に導入される置換、削除、および/または挿入を含む、光応答性プロトンポンプタンパク質は、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好適に保持する。本明細書で開示される方法の他の態様では、光応答性プロトンポンプタンパク質は、配列番号4で示される配列と少なくとも約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、ER移行シグナル、および膜輸送シグナルから成る群より選択される、ほ乳類細胞の原形質膜への輸送を強化する、少なくとも1つの1つ、2つ、3つ、またそれ以上等アミノ酸配列モチーフとを含むことができる。いくつかの実施形態では、光応答性プロトンポンプタンパク質は、N末端シグナルペプチドと、C末端ER移行シグナルとを含む。いくつかの実施形態では、光応答性プロトンポンプタンパク質は、N末端シグナルペプチドと、C末端輸送シグナルとを含む。いくつかの実施形態では、光応答性プロトンポンプタンパク質は、N末端シグナルペプチドと、C末端ER移行シグナルと、C末端輸送シグナルとを含む。いくつかの実施形態では、光応答性プロトンポンプタンパク質は、C末端ER移行シグナルと、C末端輸送シグナルとを含む。いくつかの実施形態では、C末端ER移行シグナルおよびC末端輸送シグナルは、リンカーによって結合される。リンカーは、長さで約5、10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、または500個のうちのいずれかであるアミノ酸を含むことができる。リンカーはさらに、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、またはシアン蛍光タンパク質であるが、それらに限定されない、蛍光タンパク質を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ER移行シグナルは、輸送シグナルよりもC末端に位置する。いくつかの実施形態では、輸送シグナルは、ER移行シグナルよりもC末端に位置する。また、本明細書では、配列番号4で示される配列と少なくとも約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、光応答性プロトンポンプタンパク質等の、本明細書で説明される光応答性プロトンポンプタンパク質のうちのいずれかを符号化する単離ポリヌクレオチドも提供される。また、本明細書では、配列番号4で示される配列と少なくとも約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、光応答性プロトンポンプタンパク質等の、本明細書で説明されるタンパク質を符号化するポリヌクレオチドを含む、発現ベクター本明細書で説明されるウイルスベクター等も提供される。ポリヌクレオチドは、中枢または末梢神経系の神経細胞での光応答性プロトンポンプの発現に使用されてもよい。光応答性プロトンポンプタンパク質に関係付けられるさらなる開示は、国際特許出願第PCT/US2011/028893号で見出すことができ、その開示は、その全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。光活性化カチオンチャネルタンパク質いくつかの態様では、本明細書で説明される光応答性オプシンタンパク質は、光活性化カチオンチャネルタンパク質である。本明細書で提供される方法のいくつかの態様では、1つ以上の光活性化カチオンチャネルは、中枢または末梢神経系の神経細胞の原形質膜上で発現することができる。いくつかの態様では、光活性化カチオンチャネルタンパク質は、コナミドリムシに由来することができ、カチオンチャネルタンパク質は、細胞が光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介することが可能となり得る。別の実施形態では、光活性化カチオンチャネルタンパク質は、配列番号5で示される配列と少なくとも約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ことができる。コナミドリムシに由来する光活性化カチオンチャネルタンパク質を活性化するために使用される光は、約460から約495nmの間の波長を有することができ、または約480nmの波長を有することができる。加えて、光は、少なくとも約100Hzの強度を有することができる。いくつかの実施形態では、100Hzの強度を有する光を用いた、コナミドリムシに由来する光活性化カチオンチャネルの活性化は、光活性化カチオンチャネルを発現するニューロンの脱分極誘発性シナプス枯渇を引き起こすことができる。光活性化カチオンチャネルタンパク質は、加えて、光に対する感受性を増加または減少させ、光の特定の波長に対する感受性を増加または減少させ、および/または細胞の原形質膜の分極状態を調節する光活性化カチオンチャネルタンパク質の能力を増加または減少させるように、天然アミノ酸配列に導入される置換、削除、および/または挿入を含むことができる。加えて、光活性化カチオンチャネルタンパク質は、1つ以上の保存アミノ酸置換および/または1つ以上の非保存アミノ酸置換を含有することができる。天然アミノ酸配列に導入される置換、削除、および/または挿入を含む、光活性化プロトンポンプタンパク質は、光に応答して、神経細胞の原形質膜を脱分極化する能力を好適に保持する。光活性化カチオンチャネルタンパク質と関連付けられるさらなる開示は、米国特許出願公開第2007/0054319号、ならびに国際特許出願公開第WO2009/131837号および第WO2007/024391号で見出すことができ、そのそれぞれの開示は、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。段階機能オプシンおよび安定化段階機能オプシン他の実施形態では、光活性化カチオンチャネルタンパク質は、タンパク質のレチナール結合ポケットの全体を通した主要位置に特定のアミノ酸置換を有することができる、段階機能オプシンSFOタンパク質または安定化段階機能オプシンSSFOタンパク質となり得る。いくつかの実施形態では、SFOタンパク質は、配列番号5のアミノ酸残基C128に突然変異を有することができる。他の実施形態では、SFOタンパク質は、配列番号5の中にC128A突然変異を有する。他の実施形態では、SFOタンパク質は、配列番号5の中にC128S突然変異を有する。別の実施形態では、SFOタンパク質は、配列番号5の中にC128T突然変異を有する。いくつかの実施形態では、SFOタンパク質は、配列番号6で示される配列と少なくとも約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ことができる。いくつかの実施形態では、SSFOタンパク質は、配列番号5のアミノ酸残基D156に突然変異を有することができる。他の実施形態では、SSFOタンパク質は、配列番号5の両方のアミノ酸残基C128およびD156に突然変異を有することができる。一実施形態では、SSFOタンパク質は、配列番号5の中にC128SおよびD156A突然変異を有する。別の実施形態では、SSFOタンパク質は、配列番号7で示される配列と少なくとも約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ことができる。いくつかの実施形態では、本明細書で提供されるSFOまたはSSFOタンパク質は、細胞が青色光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介することが可能となり得る。他の実施形態では、光は、約445nmの波長を有することができる。加えて、光は、約100Hzの強度を有することができる。いくつかの実施形態では、100Hzの強度を有する光を用いた、SFOまたはSSFOタンパク質の活性化は、SFOまたはSSFOタンパク質を発現するニューロンの脱分極誘発性シナプス枯渇を引き起こすことができる。いくつかの実施形態では、開示された段階機能オプシンおよび安定化段階機能オプシンタンパク質のうちのそれぞれは、光に応じて神経細胞の膜を脱分極化する際に使用するための特定の性質および特性を有することができる。SFOまたはSSFOタンパク質と関連付けられるさらなる開示は、国際特許出願公開第WO2010/056970号、ならびに米国仮特許出願第61/410,704号および第61/511,905号で見出すことができ、そのそれぞれの開示は、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。C1V1キメラカチオンチャネル他の実施形態では、光活性化カチオンチャネルタンパク質は、ボルボックスカルテリのVChR1タンパク質およびコナミドリムシのChR1タンパク質に由来するC1V1キメラタンパク質となり得て、タンパク質は、ChR1の第1および第2の膜貫通ヘリックスによって置換される、少なくとも第1および第2の膜貫通ヘリックスを有する、VChR1のアミノ酸配列を含み、光に応答し、細胞が光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介することが可能である。いくつかの実施形態では、C1V1タンパク質はさらに、キメラ光応答性タンパク質の第2および第3の膜貫通ヘリックスの間に位置する、細胞内ループドメイン内に置換を含むことができ、細胞内ループドメインの少なくとも一部分は、ChR1の対応する部分によって置換される。別の実施形態では、C1V1キメラタンパク質の細胞内ループドメインの一部分は、ChR1のアミノ酸残基A145にまで及ぶ、ChR1からの対応する部分と置換することができる。他の実施形態では、C1V1キメラタンパク質はさらに、キメラ光応答性タンパク質の第3の膜貫通ヘリックス内に置換を含むことができ、第3の膜貫通ヘリックスの少なくとも一部分は、ChR1の対応する配列によって置換される。さらに別の実施形態では、C1V1キメラタンパク質の細胞内ループドメインの一部分は、ChR1のアミノ酸残基W163にまで及ぶ、ChR1からの対応する部分と置換することができる。他の実施形態では、C1V1キメラタンパク質は、配列番号8で示される配列と少なくとも約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ことができる。いくつかの実施形態では、C1V1タンパク質は、細胞が緑色光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介することができる。他の実施形態では、光は、約540nmから約560nmの間の波長を有することができる。いくつかの実施形態では、光は、約542nmの波長を有することができる。いくつかの実施形態では、C1V1キメラタンパク質は、細胞が紫色光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介することが可能ではない。いくつかの実施形態では、キメラタンパク質は、細胞が約405nmの波長を有する光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介することが可能ではない。加えて、光は、約100Hzの強度を有することができる。いくつかの実施形態では、100Hzの強度を有する光を用いた、C1V1キメラタンパク質の活性化は、C1V1キメラタンパク質を発現するニューロンの脱分極誘発性シナプス枯渇を引き起こすことができる。いくつかの実施形態では、開示されたC1V1キメラタンパク質は、光に応じて神経細胞の膜を脱分極化する際に使用するための特定の性質および特性を有することができる。C1V1キメラ突然変異体いくつかの態様では、本発明は、置換または変異アミノ酸配列を含む、ポリペプチドを含むことができ、変異ポリペプチドは、前駆体C1V1キメラポリペプチドの特徴的な光応答性質を保持するが、また、いくつかの特定の態様では、改変した性質を保有してもよい。例えば、本明細書で説明される変異光活性化C1V1キメラタンパク質は、動物細胞内または動物細胞原形質膜上の両方での増加したレベルの発現、光の異なる波長、具体的には赤色光に暴露された時の改変した応答性、および/または特質の組み合わせを示すことができ、それにより、キメラC1V1ポリペプチドは、低い脱感作、高速非活性化、他の光活性化カチオンチャネルを用いた最低限の相互活性化のための低い紫色光活性化、および/または動物細胞での強力な発現という性質を保有する。したがって、本明細書では、キメラポリペプチドのVChR1部分のレチナール結合ポケットの全体を通した主要位置に特定のアミノ酸置換を有することができる、C1V1キメラ光活性化タンパク質が提供される。いくつかの実施形態では、C1V1タンパク質は、配列番号7のアミノ酸残基E122に突然変異を有することができる。いくつかの実施形態では、C1V1タンパク質は、配列番号7のアミノ酸残基E162に突然変異を有することができる。他の実施形態では、C1V1タンパク質は、配列番号7の両方のアミノ酸残基E162およびE122に突然変異を有することができる。他の実施形態では、C1V1タンパク質は、配列番号9、配列番号10または配列番号11で示される配列と少なくとも約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ことができる。いくつかの実施形態では、開示された変異C1V1キメラタンパク質のうちのそれぞれは、光に応じて動物細胞の膜を脱分極化する際に使用するための特定の性質および特性を有することができる。いくつかの態様では、C1V1-E122変異キメラタンパク質は、細胞が光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介することが可能である。いくつかの実施形態では、光は、緑色光となり得る。他の実施形態では、光は、約540nmから約560nmの間の波長を有することができる。いくつかの実施形態では、光は、約546nmの波長を有することができる。他の実施形態では、C1V1-E122変異キメラタンパク質は、細胞が赤色光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介することができる。いくつかの実施形態では、赤色光は、約630nmの波長を有することができる。いくつかの実施形態では、C1V1-E122変異キメラタンパク質は、細胞が紫色光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介しない。いくつかの実施形態では、キメラタンパク質は、細胞が約405nmの波長を有する光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介しない。加えて、光は、約100Hzの強度を有することができる。いくつかの実施形態では、100Hzの強度を有する光を用いた、C1V1-E122変異キメラタンパク質の活性化は、C1V1-E122変異キメラタンパク質を発現するニューロンの脱分極誘発性シナプス枯渇を引き起こすことができる。いくつかの実施形態では、開示されたC1V1-E122変異キメラタンパク質は、光に応じて神経細胞の膜を脱分極化する際に使用するための特定の性質および特性を有することができる。他の態様では、C1V1-E162変異キメラタンパク質は、細胞が光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介することが可能である。いくつかの実施形態では、光は、緑色光となり得る。他の実施形態では、光は、約540nmから約535nmの間の波長を有することができる。いくつかの実施形態では、光は、約542nmの波長を有することができる。他の実施形態では、光は、約530nmの波長を有することができる。いくつかの実施形態では、C1V1-E162変異キメラタンパク質は、細胞が紫色光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介しない。いくつかの実施形態では、キメラタンパク質は、細胞が約405nmの波長を有する光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介しない。加えて、光は、約100Hzの強度を有することができる。いくつかの実施形態では、100Hzの強度を有する光を用いた、C1V1-E162変異キメラタンパク質の活性化は、C1V1-E162変異キメラタンパク質を発現するニューロンの脱分極誘発性シナプス枯渇を引き起こすことができる。いくつかの実施形態では、開示されたC1V1-E162変異キメラタンパク質は、光に応じて神経細胞の膜を脱分極化する際に使用するための特定の性質および特性を有することができる。さらに他の態様では、C1V1-E122/E162変異キメラタンパク質は、細胞が光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介することが可能である。いくつかの実施形態では、光は、緑色光となり得る。他の実施形態では、光は、約540nmから約560nmの間の波長を有することができる。いくつかの実施形態では、光は、約546nmの波長を有することができる。いくつかの実施形態では、C1V1-E122/E162変異キメラタンパク質は、細胞が紫色光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介しない。いくつかの実施形態では、キメラタンパク質は、細胞が約405nmの波長を有する光で照射された時に、細胞内の脱分極電流を仲介しない。いくつかの実施形態では、C1V1-E122/E162変異キメラタンパク質は、E122/E162において突然変異が欠けているC1V1キメラタンパク質と比べて、または他の光活性化カチオンチャネルタンパク質と比べて、紫色光に暴露された時に少ない活性化を示すことができる。加えて、光は、約100Hzの強度を有することができる。いくつかの実施形態では、100Hzの強度を有する光を用いた、C1V1-E122/E162変異キメラタンパク質の活性化は、C1V1-E122/E162変異キメラタンパク質を発現するニューロンの脱分極誘発性シナプス枯渇を引き起こすことができる。いくつかの実施形態では、開示されたC1V1-E122/E162変異キメラタンパク質は、光に応じて神経細胞の膜を脱分極化する際に使用するための特定の性質および特性を有することができる。C1V1キメラカチオンチャネルならびに同チャネルの突然変異体に関係付けられるさらなる開示は、米国仮特許出願第61/410,736号、第61/410,744号および第61/511,912号で見出すことができ、そのそれぞれの開示は、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。ポリヌクレオチド本開示はまた、本明細書で説明される光応答性オプシンタンパク質を符号化するヌクレオチド配列を含む、ポリヌクレオチドも提供する。いくつかの実施形態では、ポリヌクレオチドは、発現カセットを含む。いくつかの実施形態では、ポリヌクレオチドは、上記の核酸を含むベクターである。いくつかの実施形態では、本開示の光活性化タンパク質を符号化する核酸は、プロモータに動作可能に結合される。プロモータは、当技術分野で周知である。宿主細胞で機能する任意のプロモータを、本開示の光応答性オプシンタンパク質および/またはその任意の変異形の発現に使用することができる。一実施形態では、光応答性オプシンタンパク質の発現を駆動するために使用されるプロモータは、運動ニューロンに特有であるプロモータである。別の実施形態では、光応答性オプシンタンパク質の発現を駆動するために使用されるプロモータは、中枢神経系ニューロンに特有であるプロモータである。他の実施形態では、プロモータは、交感および/または副交感神経系の両方のニューロンにおける光応答性オプシンタンパク質の発現を駆動することが可能である。特定の動物細胞における光応答性オプシンタンパク質またはその変異形の発現を駆動するのに有用である、開始制御領域またはプロモータは、多数あり、当業者に周知である。これらの核酸を駆動することが可能な事実上いかなるプロモータも使用することができる。運動ニューロン特有の遺伝子の例は、例えば、Kudo,etal.,HumanMol.Genetics,2010,1916:3233-3253で見出すことができ、その内容は、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態では、光活性化タンパク質の発現を駆動するために使用されるプロモータは、中枢および末梢神経系の両方のニューロンにおいて導入遺伝子の堅調な発現を駆動することが可能である、Thy1プロモータとなり得る例えば、Llewellyn,etal.,2010,Nat.Med.,1610:1161-1166を参照。他の実施形態では、光応答性オプシンタンパク質の発現を駆動するために使用されるプロモータは、EF1αプロモータ、サイトメガロウイルスCMVプロモータ、CAGプロモータ、シナプシンプロモータ、あるいはほ乳類の末梢および/または中枢神経系ニューロンにおいて光応答性オプシンタンパク質の発現を駆動することが可能な任意の他の普遍的プロモータとなり得る。また、本明細書では、本明細書で説明される光応答性オプシンタンパク質またはその任意の変異形を符号化するヌクレオチド配列を含む、ベクターが提供される。本発明に従って投与することができるベクターはまた、ベクターのポリヌクレオチドから転写された時に標的動物細胞の原形質膜上で光応答性オプシンタンパク質の蓄積をもたらす、RNA例えば、mRNAを符号化するヌクレオチド配列を含む、ベクターも含む。使用されてもよいベクターは、制限なく、レンチウイルス、HSV、アデノウイルス、およびアデノ随伴ウイルスAAVベクターを含む。レンチウイルスは、HIV-1、HIV-2、SIV、FIV、およびEIAVを含むが、それらに限定されない。レンチウイルスは、VSV、狂犬病、Mo-MLV、バキュロウイルス、およびエボラを含むが、それらに限定されない、他のウイルスの外膜タンパク質を伴う偽型であってもよい。そのようなベクターは、当技術分野での標準方法を使用して調製されてもよい。いくつかの実施形態では、ベクターは、組み換えAAVベクターである。AAVベクターは、安定した部位特異的方式で、感染する細胞のゲノムに統合することができる、比較的小さいサイズのDNAウイルスである。それらは、細胞成長、形態、または分化にいずれの影響も誘発することなく、広範囲の細胞に感染することができ、ヒトの病理に関与するように思われない。AAVゲノムは、クローン化され、配列決定され、特徴付けられている。それは、約4700個の塩基を包含し、ウイルスの複製起点としての機能を果たす、約145個の塩基の逆方向末端反復ITR領域を各端に含有する。残りのゲノムは、ウイルス複製およびウイルス遺伝子の発現に関与するrep遺伝子を含有するゲノムの左側部分、およびウイルスのカプシドタンパク質を符号化するcap遺伝子を含有するゲノムの右側部分といった、カプシド形成機能を持つ2つの必須領域に分けられる。AAVベクターは、当技術分野での標準方法を使用して調製されてもよい。任意の血清型のアデノ随伴ウイルスが好適である例えば、そのそれぞれの開示が、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、Blacklow,pp.165-174ofParvovirusesandHumanDiseaseJ.R.Pattison,ed.1988;Rose,ComprehensiveVirology3:1,1974;P.TattersallTheEvolutionofParvovirusTaxonomyinParvovirusesJRKerr,SFCotmore.MEBloom,RMLinden,CRParrish,Eds.p5-14,HudderArnold,London,UK2006;およびDEBowles,JERabinowitz,RJSamulskiTheGenusDependovirusJRKerr,SFCotmore.MEBloom,RMLinden,CRParrish,Eds.p15-23,HudderArnold,London,UK2006を参照されたい。ベクターを純化するための方法は、例えば、米国特許第6,566,118号、第6,989,264号、および第6,995,006号、ならびにMethodsforGeneratingHighTiterHelper-freePreparationofRecombinantAAVVectorsと題された国際特許出願公開第WO/1999/011764号で見出されてもよく、その開示は、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。ハイブリッドベクターの調製は、例えば、PCT出願第PCT/US2005/027091号で説明されており、その開示は、その全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。生体外および生体内で遺伝子を導入するためのAAVに由来するベクターの使用が説明されている例えば、その全てがそれらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、国際特許出願公開第WO91/18088号および第WO93/09239号、米国特許第4,797,368号、第6,596,535号および第5,139,941号、ならびに欧州特許第0488528号を参照。これらの出版物は、repおよび/またはcap遺伝子が削除され、関心遺伝子によって置換される、種々のAAV由来構築物、および生体外で培養細胞にまたは生体内で生物に直接関心遺伝子を導入するためのこれらの構築物の使用を説明する。2つのAAV逆方向末端反復ITR領域が両側に並ぶ、関心の核酸配列を含有するプラスミド、およびAAVカプシド形成遺伝子repおよびcap遺伝子を持つプラスミドを、ヒトヘルパーウイルス例えば、アデノウイルスに感染した細胞株に同時導入することによって、本発明による複製欠損組み換えAAVを調製することができる。次いで、産生されるAAV組み換え型は、標準技法によって純化される。いくつかの実施形態では、本発明の方法で使用するためのベクターは、ウイルス粒子例えば、AAV1、AAV2、AAV3、AAV4、AAV5、AAV6、AAV7、AAV8、AAV9、AAV10、AAV11、AAV12、AAV13、AAV14、AAV15、およびAAV16を含むが、それらに限定されない、AAVウイルス粒子にカプシド形成される。したがって、本発明は、本明細書で説明されるベクターのうちのいずれかを含む、組み換えウイルス粒子を含む組み換えポリヌクレオチドを含有するため組み換え型である。そのような粒子を産生する方法は、当技術分野で公知であり、米国特許第6,596,535号で説明されており、その開示は、その全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。光応答性オプシンタンパク質およびランタニドをドープしたナノ粒子の送達いくつかの態様では、本明細書で開示される光応答性オプシンタンパク質を符号化するポリヌクレオチド例えば、AAV1ベクターは、定位固定注射例えば、そのそれぞれの内容が、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、Steinetal.,J.Virol.,1999,73:34243429;Davidsonetal.,Proc.Nat.Acad.Sci.U.S.A.,2000,97:3428-3432;Davidsonetal.,Nat.Genet.,1993,3:219-223;およびAliskyDavidson,Hum.GeneTher.,2000,11:2315-2329を参照または蛍光透視法によるもの等の当技術分野で公知の神経外科技法を使用した、針、カテーテル、または関連デバイスを用いて、中枢または末梢神経系のニューロンに直接送達することができる。いくつかの実施形態では、本明細書で開示される光応答性オプシンタンパク質を符号化するポリヌクレオチド例えば、AAV1ベクターは、脊髄神経頸部脊髄神経、胸部脊髄神経、腰椎神経、仙骨脊髄神経、および/または尾骨脊髄神経のうちのいずれか1つへの注射によって、末梢神経系のニューロンに送達することができる。イオン脂質またはポリマーを用いたトランスフェクション、エレクトロポレーション、光学トランスフェクション、インペールフェクション、または遺伝子銃を介する等であるが、それらに限定されない、光応答性オプシンタンパク質を関心の神経へ送達する他の方法も使用することができる。別の態様では、本明細書で開示される光応答性オプシンタンパク質を符号化するポリヌクレオチド例えば、AAV2ベクターは、末梢神経系のニューロンによって神経支配された筋肉に直接送達することができる。特定の筋肉を神経支配する特定の細胞体に直接ウイルスベクターを注射することに固有の制限により、研究者らは、筋肉に直接ウイルスベクターを注射することによって、導入遺伝子を末梢ニューロンに送達しようとしてきた。これらの実験は、アデノウイルス、AAV2、および狂犬病糖タンパク質偽型レンチウイルス等のいくつかのウイルス血清型を、筋細胞によって取り込み、神経筋シナプスを横断して運動ニューロンへ逆行的に輸送することができると示した例えば、そのそれぞれの開示が、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、Azzouzetal.,2009,AntioxidRedoxSignal.,117:1523-34;Kasparetal.,2003,Science,3015634:839-842;Manabeetal.,2002,Apoptosis,74:329-334を参照。したがって、いくつかの実施形態では、本明細書で開示される光応答性オプシンタンパク質を発現するベクター例えば、AAV2ベクターは、関心の筋肉への直接注射によって、筋肉の神経支配に関与するニューロンに送達することができる。本明細書で開示されるランタニドをドープしたナノ粒子は、ナノ粒子が送達される1つまたは複数の解剖学的部位に応じて、血管内で、頭蓋内で、脳内で、筋肉内で、皮内で、静脈内で、眼球内で、経口で、経鼻的に、局所的に、または切開外科手技による等の任意の経路によって、1つ以上の光応答性オプシンタンパク質を発現するニューロンに送達することができる。加えて、ナノ粒子は、上記で説明されるもののうちのいずれか等の光応答性オプシンタンパク質を発現するポリヌクレオチドベクターの送達に使用される同じ経路によって、送達することができる。ナノ粒子はまた、心臓切開手術の場合のような切開方式で、または定位固定手術中に脳の中で、または特定の臓器の血液供給まで進むカテーテルを使用する血管内介入方法によって、または他の介入方法によって、投入することもできる。本明細書で開示される光応答性オプシンタンパク質を符号化する、ポリヌクレオチドおよび/またはランタニドをドープしたナノ粒子の送達および/または保管に使用される医薬組成物は、薬学的に有用な組成物を調製するための既知の方法に従って製剤することができる。製剤は、当業者に周知であり、容易に利用可能ないくつかの情報源で説明されている。例えば、RemingtonのPharmaceuticalSciencesMartinEW,1995,EastonPa.,MackPublishingCompany,19thed.は、本発明と関連して使用することができる製剤を説明している。非経口投与に好適な製剤は、例えば、製剤を意図した受容者の血液と等張性にする酸化防止剤、緩衝剤、静菌剤、および溶質を含有してもよい、水性滅菌注射液と、懸濁化剤および増粘剤を含んでもよい、水性および非水性滅菌懸濁液とを含む。製剤は、単位用量または複数用量容器、例えば、密閉アンプルおよびバイアルの中で提示されてもよく、使用前に、滅菌液体キャリア、例えば、注射用蒸留水の状態のみを必要とする、フリーズドライした凍結乾燥した状態で保管されてもよい。ランタニドをドープしたナノ粒子はまた、注入または注射によって、血管内で、または腹腔内で投与されてもよい。ナノ粒子および/または細胞の溶液を、水中で調製し、随意で、非毒性界面活性剤と混合することができる。分散もまた、グリセロール、液体ポリエチレングリコール、トリアセチン、およびそれらの混合物の中で、および油の中で調製することもできる。保管および使用の通常の条件下で、これらの調合液は、微生物の成長を防止する防腐剤を含有する。本明細書で説明されるランタニドをドープしたナノ粒子の注入または注射に好適な医薬剤形は、滅菌注射または注入剤または分散の即時調製のために適合される、活性成分を含む滅菌水溶液または分散または滅菌粉末を含むことができる。液体キャリアまたは媒体は、例えば、水、エタノール、ポリオール例えば、グリセロール、プロピレングリコール、液体ポリエチレングリコール、および同等物、植物油、非毒性グリセリルエステル、およびそれらの好適な混合物を含む、溶媒または液体分散媒質となり得る。微生物の作用の防止は、種々の抗菌および抗真菌剤、例えば、パラベン、クロロブタノール、フェノール、ソルビン酸、チメロサール、および同等物によって引き起こすことができる。赤外線または近赤外線電磁放射線源赤外線IRまたは近赤外線NIRスペクトル内の波長を有する電磁放射線源を産生することが可能である、任意のデバイスが、本明細書で説明されるランタニドをドープしたナノ粒子と組み合わせて、ニューロンの表面上で発現される1つ以上の光応答性タンパク質を活性化するために使用されてもよい。IRまたはNIR源は、光刺激を脳の特定の標的領域に提供するように構成することができる。IRまたはNIR源は、加えて、連続IRあるいはNIR電磁放射線および/またはパルスIRあるいはNIR電磁放射線を提供することができ、所定のパルス系列でIRまたはNIR電磁放射線を提供するようにプログラム可能であってもよい。他の態様では、埋込型IRまたはNIR源は、外部電源への物理的係留を必要としない。いくつかの実施形態では、電源は、IRまたはNIR源に電力供給するための内部バッテリとなり得る。別の実施形態では、埋込型IRまたはNIR源は、IRまたはNIR源に電力供給するための外部電源から無線で伝達された電磁エネルギーを受容するための外部アンテナを備えてもよい。無線で伝達された電磁エネルギーは、電波、マイクロ波、あるいはIRまたはNIR発生源に電力供給するように外部源から伝達することができる任意の他の電磁エネルギー源となり得る。一実施形態では、IRまたはNIR源は、半導体または当技術分野で公知の他の過程を使用して生産される、集積回路によって制御される。いくつかの態様では、埋込型IRまたはNIR電磁放射線源は、外部コントローラによって外部から起動することができる。外部コントローラは、伝送コイルに載置することができる、発電機を備えることができる。外部コントローラのいくつかの実施形態では、電力を発電機に提供するために、バッテリをそれに接続することができる。スイッチを発電機に接続することができ、個人が発電機を手動で起動または動作停止することを可能にする。いくつかの実施形態では、スイッチの起動時に、発電機は、外部コントローラ上の伝送コイルと埋込型IRまたはNIR源の外部アンテナとの間の電磁結合を通して、電力をIRまたはNIR電磁放射線源に提供することができる。無線周波数磁気インダクタンス結合が使用される時に、電波の動作周波数は、約1から20MHzの間を含めた、これらの数の間の任意の値を含むことができる例えば、約1MHz、約2MHz、約3MHz、約4MHz、約5MHz、約6MHz、約7MHz、約8MHz、約9MHz、約10MHz、約11MHz、約12MHz、約13MHz、約14MHz、約15MHz、約16MHz、約17MHz、約18MHz、約19MHz、または約20MHz。しかし、受光器または生物医学テレメトリシステム等の他の結合技術が使用されてもよい例えば、Kiourti,BiomedicalTelemetry:CommunicationbetweenImplantedDevicesandtheExternalWorld,Opticon1826,8:Spring,2010を参照。いくつかの態様では、IRまたはNIR電磁放射線によって産生される、神経細胞1つ以上の光応答性オプシンタンパク質を発現する神経細胞等に到達するIRまたはNIR電磁放射線の強度は、約0.05mW/mm2、0.1mW/mm2、0.2mW/mm2、0.3mW/mm2、0.4mW/mm2、0.5mW/mm2、約0.6mW/mm2、約0.7mW/mm2、約0.8mW/mm2、約0.9mW/mm2、約1.0mW/mm2、約1.1mW/mm2、約1.2mW/mm2、約1.3mW/mm2、約1.4mW/mm2、約1.5mW/mm2、約1.6mW/mm2、約1.7mW/mm2、約1.8mW/mm2、約1.9mW/mm2、約2.0mW/mm2、約2.1mW/mm2、約2.2mW/mm2、約2.3mW/mm2、約2.4mW/mm2、約2.5mW/mm2、約3mW/mm2、約3.5mW/mm2、約4mW/mm2、約4.5mW/mm2、約5mW/mm2、約5.5mW/mm2、約6mW/mm2、約7mW/mm2、約8mW/mm2、約9mW/mm2、または約10mW/mm2のうちのいずれかを含めた、これらの数の間の値を含む強度を有する。他の態様では、IRまたはNIR電磁放射線源によって産生されるIRまたはNIR電磁放射線は、約740nmから約300,000nm等の赤外線スペクトル全体を包含する波長を有することができる。他の実施形態では、IRまたはNIR電磁放射線源によって産生されるIRまたはNIR電磁放射線は、約740nmから約1400nm等のNIRスペクトルに対応する波長を有することができる。他の実施形態では、産生されるNIR電磁放射線は、700nmから1000nmの間の波長を有する。いくつかの態様では、IRまたはNIR電磁放射線源は、本明細書で開示されるランタニドをドープしたナノ粒子と組み合わせて使用された時に、個体の脳または中枢神経系内の神経細胞1つ以上の光応答性オプシンタンパク質を発現する神経細胞等の原形質膜を過分極化または脱分極化するために使用される。いくつかの実施形態では、個体の頭蓋骨が、骨を穿孔することなく、脳の関心領域に隣接する領域中で外科的に薄くされる。次いで、IRまたはNIR電磁放射線源を、薄くなった頭蓋骨領域上に直接配置することができる。他の実施形態では、IRまたはNIR電磁放射線発生器が、薄くなった頭蓋骨領域に直接隣接して個体の皮下に埋め込まれる。いくつかの態様では、IRまたはNIR電磁放射線源は、本明細書で開示されるランタニドをドープしたナノ粒子と組み合わせて使用された時に、個体の脳または末梢神経系内の神経細胞1つ以上の光応答性オプシンタンパク質を発現する神経細胞等の原形質膜を過分極化または脱分極化するために使用される。いくつかの実施形態では、IRまたはNIR電磁放射線源は、関心の末梢神経細胞に直接隣接して個体の皮下に外科的に埋め込まれる。他の実施形態では、IRまたはNIR電磁放射線源は、関心の末梢神経細胞に直接隣接して皮膚に当てて配置される。一実施形態では、IRまたはNIR電磁放射線源は、ブレスレットまたはカフ構成で皮膚に当てて保持される。IRまたはNIR電磁放射線源の実施例、具体的には、皮下に埋め込まれるほど十分小さいものは、米国特許出願公開第2009/0143842号、第2011/0152969号、第2011/0144749号、および第2011/0054305号で見出すことができ、そのそれぞれの開示は、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。なおも他の態様では、本明細書で開示されるランタニドをドープしたナノ粒子は、より高い波長可視光をより低い波長可視光青色または緑色光等に上方変換するように、可視スペクトル内のより高い波長の光赤色光等に暴露させることができる。上記で説明されるように、光は生物組織を不十分に通過する。しかしながら、可視光は、組織に浸透する時に、赤色光に対応するより高い波長例えば、約620nmから740nmの間で浸透する。したがって、本明細書で開示されるランタニドをドープしたナノ粒子は、加えて、赤色光に対応する波長を、緑色または青色光に対応する波長例えば、約440nmから570nmの間に上方偏移するために、可視光の光源と組み合わせて使用することができる。光源を含む、光刺激デバイスの例は、国際特許出願第PCT/US08/50628号および第PCT/US09/49936号で、ならびにLlewellynetal.,2010,Nat.Med.,1610:161-165で見出すことができ、そのそれぞれの開示は、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。本発明の方法神経細胞の脱分極本明細書では、神経細胞に近接して複数のランタニドをドープしたナノ粒子を配置することと、複数のナノ粒子を、赤外線IRまたは近赤外線NIRスペクトル内の電磁放射線に暴露させることであって、IRまたはNIRスペクトル内の電磁放射線は、ナノ粒子によって可視スペクトル内の光に上方変換され、光応答性オプシンが、神経細胞の原形質膜上で発現され、可視スペクトル内の光によるオプシンの活性化は、原形質膜の脱分極を誘発する、暴露させることとを含む、個体の神経細胞の原形質膜を脱分極化する方法が提供される。また、本明細書では、光応答性オプシンを符号化するポリヌクレオチドを、個体の脳内の神経細胞に投与することであって、光応答性タンパク質は、神経細胞の原形質膜上で発現され、オプシンは、光で照射された時に神経細胞の膜脱分極を誘発することが可能である、投与することと、神経細胞に近接して複数のランタニドをドープしたナノ粒子を投与すること、複数のナノ粒子を、赤外線IRまたは近IRスペクトル内の電磁放射線に暴露させることであって、IRまたは近IRスペクトル内の電磁放射線は、可視スペクトル内の光に上方変換され、可視スペクトル内の光によるオプシンの活性化は、原形質膜の脱分極を誘発する、暴露させることとを含む、個体の神経細胞の原形質膜を脱分極化する方法が提供される。いくつかの実施形態では、光応答性オプシンタンパク質は、ChR2、VChR1、またはC1V1である。他の実施形態では、光応答性オプシンタンパク質は、SFO、SSFO、C1V1-E122、C1V1-E162、およびC1V1-E122/E162から成る群より選択される。ランタニド金属は、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、またはルテチウム等のランタニド系列の元素のうちのいずれかからのイオンまたは原子となり得る。他の実施形態では、ナノ粒子は、NaYF4:Yb/X/Gdを含み、Xは、Er、Tm、またはEr/Tmである。IRまたは近IRスペクトル内の電磁放射線は、約450nmから約550nmの波長を有する光に上方変換することができる。光は、赤色、黄色、琥珀色、橙色、緑色、または青色光に対応する波長を有することができる。いくつかの実施形態では、個体は、ヒトまたはヒトではない動物である。他の実施形態では、神経細胞は、末梢神経系内にある。別の実施形態では、神経細胞は、中枢神経系内にある。神経細胞の過分極本明細書では、神経細胞に近接して複数のランタニドをドープしたナノ粒子を配置することと、複数のナノ粒子を、赤外線IRまたは近赤外線NIRスペクトル内の電磁放射線に暴露させることであって、IRまたはNIRスペクトル内の電磁放射線は、ナノ粒子によって可視スペクトル内の光に上方変換され、光応答性オプシンが、神経細胞の原形質膜上で発現され、可視スペクトル内の光によるオプシンの活性化は、原形質膜の過分極を誘発する、暴露させることとを含む、個体の神経細胞の原形質膜を過分極化する方法が提供される。また、本明細書では、光応答性オプシンを符号化するポリヌクレオチドを、個体の脳内の神経細胞に投与することであって、光応答性タンパク質は、神経細胞の原形質膜上で発現され、オプシンは、光で照射された時に神経細胞の膜過分極を誘発することが可能である、投与することと、神経細胞に近接して複数のランタニドをドープしたナノ粒子を投与することと、複数のナノ粒子を、赤外線IRまたは近IRスペクトル内の電磁放射線に暴露させることであって、IRまたは近IRスペクトル内の電磁放射線は、可視スペクトル内の光に上方変換され、可視スペクトル内の光によるオプシンの活性化は、原形質膜の過分極を誘発する、暴露させることと、個体の神経細胞の原形質膜を過分極化する方法が提供される。いくつかの実施形態では、光応答性オプシンタンパク質は、NpHRまたはGtR3である。ランタニド金属は、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、またはルテチウム等のランタニド系列の元素のうちのいずれかからのイオンまたは原子となり得る。他の実施形態では、ナノ粒子は、NaYF4:Yb/X/Gdを含み、Xは、Er、Tm、またはEr/Tmである。IRまたは近IRスペクトル内の電磁放射線は、約450nmから約550nmの波長を有する光に上方変換することができる。光は、赤色、黄色、琥珀色、橙色、緑色、または青色光に対応する波長を有することができる。いくつかの実施形態では、個体は、ヒトまたはヒトではない動物である。他の実施形態では、神経細胞は、末梢神経系内にある。別の実施形態では、神経細胞は、中枢神経系内にある。キットまた、本明細書では、光応答性オプシンタンパク質本明細書で説明される光応答性オプシンタンパク質のうちのいずれか等を符号化するポリヌクレオチドと、中枢および/または末梢神経系の1つ以上のニューロンの膜分極状態を改変するために本明細書で開示される方法のうちのいずれかで使用するためのランタニドをドープしたナノ粒子とを含む、キットが提供される。いくつかの実施形態では、キットはさらに、赤外線または近赤外線電磁放射線源を備える。他の実施形態では、キットはさらに、本明細書で説明されるポリヌクレオチドおよびランタニドをドープしたナノ粒子を使用するための説明書を備える。なおも他の実施形態では、本明細書で説明されるランタニドをドープしたナノ粒子は、生体適合性材料上記で説明される生体適合性材料のうちのいずれか等に埋め込まれる、および/または閉じ込められる。例示的実施形態本開示の態様は、添付図面と関連して以下に続く、本開示の種々の実施形態の詳細な説明を考慮して、より完全に理解されてもよい。この説明および種々の実施形態は、以下のように提示される。本明細書で論議される実施形態および具体的用途は、上記の態様、実施形態、および実装のうちの1つ以上と、ならびに図に示され、以下で説明されるものと関連して実装されてもよい。また、参照することにより本明細書に完全に組み込まれる、Wangetal.,2010,Nature,4637284:1061-5を参照してもよい。方法論、デバイス、および物質を含む、光応答性分子および/またはオプシンに関するさらなる詳細については、Zhangらに対するSystemforOpticalStimulationofTargetCellsと題された米国特許出願公開第2010/0190229号、Boydenらに対するSystemforOpticalStimulationofTargetCellsと題された米国特許出願公開第2007/0261127号といった、背景出版物も参照してもよい。これらの出願は、暫定特許文書の一部を形成し、参照することにより本明細書に完全に組み込まれる。これらの出版物と一致して、光刺激および標的細胞の制御を提供するために、多数のオプシンを生体内および生体外のほ乳類細胞で使用することができる。例えば、ChR2がニューロン等の電気的興奮性細胞に導入された時に、ChR2チャネルロドプシンの光活性化が、細胞の興奮および/または発火をもたらすことができる。NpHRがニューロン等の電気的興奮性細胞に導入された時の場合において、NpHRオプシンの光活性化が、細胞の発火の阻害をもたらすことができる。上記で参照した特許出願の開示のこれらおよび他の態様は、本開示の種々の態様を実装する際に有用であってもよい。本開示の種々の実施形態では、例えば、近赤外線上方変換ナノ結晶を使用した、光遺伝学を用いた神経回路の操作に有用となり得るような光の低侵襲的送達が達成される。これは、例えば、被検体の脳を含む、生体組織内の光源の埋込を回避するために使用される。ほ乳類組織は、スペクトルの近赤外線部分700~1000nmの中に透過性窓を有する。したがって、本開示の態様は、関心部位で赤外光を可視波長に変換することによって、脳の奥深くへエネルギーを送達するために近赤外光を使用する目的でのナノ粒子の使用に関する。ある実施形態では、脳内の関心部位で可視波長を送達することは、ランタニドをドープしたナノ結晶における光学的上方変換の過程を通して達成される。上方変換中に、3~4つの光子が材料によって吸収され、次いで、材料は、吸収された光子のエネルギーの約1.5~2倍のエネルギーで1つの光子を放出する。例えば、NaYF4:Yb/X/Gdナノ結晶は、ドーパントの性質および相対含量X=Er、Tm、Er/Tmに応じて、980nmの光を吸収し、450~550nmの間を中心としたスペクトルを伴う光を発する。ナノ粒子から発せられる光を修飾することに関するさらなる情報については、その開示が、その全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、Wangetal.,Nature,2010,4637284:1061-5を参照されたい。ある実施形態では、標的細胞集団を修飾し、近赤外光を、修飾標的細胞集団を刺激する可視光に変換するナノ粒子を提供するように、単一段階手術が行われる。手術中に、外科医は、オプシン遺伝子を持つアデノ随伴ウイルスおよびナノ粒子溶液の両方を関心部位に注射する。ウイルスは、標的細胞集団のみに感染するように最適化される。同様に、ナノ粒子も標的細胞集団に固着するように、ナノ粒子は、抗体で機能化される。あるより具体的な実施形態では、標的細胞集団は、特定のニューロン型である。手術が完了した後に、近赤外光を発するLEDが、皮膚の下で、患者の頭蓋骨の薄くなった部分の上に配置される。バッテリもまた、LEDに電力供給するように皮膚の下に埋め込むことができる。ある実施形態では、バッテリは、ペースメーカーバッテリのものと同様の特性を有する。バッテリを制御して特定間隔でエネルギーをLEDに送達し、特定間隔でLED光パルスをもたらすために、マイクロコントローラを使用することができる。本開示のある態様は、生体内の光遺伝学の使用を対象とする。生体内で適用される光遺伝学は、脳内の深くに位置することができる、特定のニューロン集団への光送達に依存する。ほ乳類組織は、高度に吸収性であり、可視スペクトル内の光を散乱させる。しかしながら、近赤外光は、過剰な吸収または散乱を伴わずに、脳の深い準位まで浸透することができる。本開示のある態様は、標的ニューロンの付近で脳にナノ粒子を埋め込むことを対象とする。ナノ粒子は、ランタニドをドープしたナノ粒子となり得る。ランタニドまたは他のドーパントでドープされたナノ粒子は、特定のオプシンの活性スペクトルに対して最適化することができる。その開示が、その全体で参照することにより本明細書に組み込まれる、Wangetal.,Nature,2010,4637284:1061-5でさらに詳細に論議されるように、ランタニドをドープしたナノ結晶から発せられる光のスペクトルは、どのドーパントがどれだけ使用されるかに基づいて操作することができる。同様に、他の分子でドープされたナノ粒子から発せられる光は、ドーパントの濃度に基づいて操作することができる。ナノ粒子のドーピングに応じて、異なる出力スペクトルを提供する能力は、急性神経操作への非侵襲的アプローチを可能にする。LED等の光源を、皮下の薄くなった頭蓋骨上に載置することができる。ナノ粒子の組成物、および標的ニューロンに送達されるオプシンに応じて、本開示の態様は、神経の興奮またはサイレンシングに使用することができる。同様に、複数の神経細胞集団が、組み合わせた種々のドーパントおよびオプシンの使用を通して同時に制御されてもよい。図1を参照すると、患者の頭部100が示されている。標的神経細胞集団114は、光応答性分子を含む。これらの光応答性分子は、チャネルロドプシン例えば、ChR1またはChR2またはハロロドプシンNpHRに由来するオプシンを含むことができるが、必ずしもそれらに限定されない。特定の分子を、標的細胞集団への所望の効果および/または分子が光に応答する波長に基づいて、調整/選択することができる。ナノ結晶110が、標的細胞集団の付近に、または標的細胞集団に導入される。本開示の種々の実施形態は、標的細胞集団の付近にナノ結晶を位置付け、位置付けを維持するための方法およびデバイスを対象とする。ある実施形態は、抗体を使用して、ナノ結晶を標的細胞集団のまたは付近の細胞に固着することを対象とする。他の例示的実施形態によれば、ナノ結晶を含む構造を導入することができる。例えば、メッシュ構造をナノ結晶で被覆することができる。合成メッシュは、ニューロン全体例えば、細胞体が通過することを可能にすることなく、樹状突起および軸索がメッシュを通過することを可能にするよう構築することができる。そのようなメッシュの一実施例は、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。このメッシュ構造は、その中に含有された光応答性細胞/ニューロンで構築し、および/または光応答性細胞を含む標的細胞集団の付近に配置することができる。別の実施形態と一致して、それぞれナノ結晶の溶液を含有する、1つ以上の透明カプセルを、標的細胞集団の付近に位置付けることができる。本開示の実施形態はまた、刺激の種々の光源も対象とする。これらの光源は、外部レーザ源および発光ダイオードLEDを含むことができるが、それらに限定されない。本開示の特定の態様は、光がある波長例えば、近赤外線にある時に介在材料によって引き起こされる、比較的低い吸収および/または散乱/拡散を対象とする。したがって、光源は、光の強度または力の損失をほとんど伴わずに組織に浸透する能力により、外部に位置することができる。また、低減した拡散が、光の送達のための比較的高い空間精度を提供するために特に有用となり得る。したがって、本開示の実施形態は、空間的に正確な光刺激を使用して個別に制御することができる、それぞれのナノ結晶を伴う複数の標的細胞集団を対象とする。例えば、ナノ結晶は、脳内のいくつかの場所に埋め込むことができる。次いで、光源は、それぞれの特定の場所に向けることができる。複数の光源もまた、複数の場所の同時刺激に使用することができる。本開示の特定の実施形態と一致して、頭蓋骨102は、薄くなった部分106を有する。LED104は、頭蓋骨の薄くなった部分より上側に位置し、近赤外光108を発する。IRは、ナノ結晶110に衝突する時に吸収される。ナノ結晶は、IR光108の吸収に応じて、可視光112を発する。可視光112は、修飾細胞114によって吸収される。図1に示されるシステムは、患者の脳組織の奥深くの標的細胞への光の送達を可能にする。光応答性分子は、関心の神経細胞型へ特異的に標的化することができる。同様に、ナノ結晶112は、標的化されている神経細胞114の種類に基づいて選択される抗体で神経細胞に固着される。図2を参照すると、一群のニューロンが、700~1000nmの赤外光208で照射される。標的ニューロン214は、オプシン遺伝子を発現し、どのオプシン、およびどのような光の波長がニューロン214によって吸収されるかに応じて、ニューロンが活性化または阻害されることを可能にする。標的ニューロン214は、他のニューロン216の間に間置することができる。差し込み図202に示されるように、標的ニューロン214は、抗体を介して神経細胞膜に固着される上方変換ナノ粒子210で被覆される。ナノ粒子210は、IR光子を吸収し、神経活性化を誘起するオプシンによって吸収される可視光子を発する。図2のシステムは、種々の標的ニューロン214とともに使用することができる。標的ニューロン214において発現されるオプシン遺伝子215は、標的ニューロンに基づいて修飾される。同様に、ナノ粒子210を標的ニューロン膜に固着するために使用される抗体は、特定の膜型に付着するように修飾される。差し込み図202に示されるように、ナノ粒子210は、ナノ粒子210によって放出される可視光子が標的ニューロン214によって吸収されるように、標的ニューロンに密接に結合される。図3は、本開示の実施形態と一致する、複数の光源を使用するシステムを描写する。患者は、標的場所308~312に位置するナノ粒子を有する。システムは、標的場所308~312に位置するナノ粒子によって上方変換される周波数で光を生成するように構成することができる、光源302~306を含む。3つの光源が描写されているが、任意の数の光源があり得る。これらの光源は、埋め込まれた光源例えば、頭蓋骨上に埋め込まれたLEDまたはそれらの組み合わせを使用して、患者の外部にあり得る例えば、機械的位置付けを使用して、いくつかの光源を方向付ける標的化システム。標的場所308~312は、光学的応答性膜分子を有する細胞を含む。これらの光学的応答性膜分子は、上方変換された周波数における光に反応する。異なる光源302~306からの光の交差点314に位置するナノ粒子は、単一の光源からの光路内の場所を含む、他の場所に対して増加した強度の光刺激を受容する。このようにして、光源のうちのそれぞれの光強度を閾値レベル未満に設定することができる。複数の光源が同じ場所に方向付けられる時に、その場所で閾値強度レベルを超えることができる。これは、3次元での空間制御を可能にし、また、非標的組織への不慮の影響の低減を可能にする。一実施形態と一致して、閾値レベルは、標的細胞への所望の影響例えば、興奮または阻害を引き起こすために必要な光の量に従って設定することができる。他の実施形態と一致して、閾値レベルは、非標的組織への悪影響例えば、加熱を回避するように設定することができる。複数の光源の使用はまた、光強度の段階的な増加をもたらすこともできる。例えば、光強度の増加によって引き起こされる付加的な刺激の影響を監視することによって、疾患モデルを検査することができる。独立光源の使用は、時間的および空間的増加または減少に対する比較的単純な制御を可能にする。本開示の他の実施形態と一致して、光源の空間精度を、異なる光源の間で変化させることができる。例えば、第1の光源は、標的細胞場所全体を照射する光を提供することができる。これは、集団内の全ての細胞が照射されることを可能にする。第2の光源は、標的細胞場所全体未満を照射する焦点を有する光を提供することができる。第1および第2またはそれ以上の光源の組み合わせは、同じ細胞集団内で異なるレベルの刺激を提供するために使用することができる。本開示の実施形態は、走査モードで動作する1つ以上の光源の使用に関する。光源は、標的細胞集団内の特定の場所に向けられる。標的細胞集団内で走査する、または別様に移動するために光源が使用されるにつれて、刺激の影響を監視することができる。これは、複数の光源の使用によって提供される3次元制御と関連して特に有用となり得る。本開示の種々の実施形態は、異なる波長で光を発するナノ結晶の使用を対象とする。これは、異なる光吸収スペクトルを有する複数のオプシンを使用する時に、特に有用となり得る。ナノ結晶は、異なるオプシンに向けて標的化し、および/または対応する場所に配置することができる。本開示は、種々の修正および代替形態に従うが、それらの詳細は、一例として図面に示されており、さらに詳細に説明される。本開示を説明される特定の実施形態および/または用途に限定することを意図しないと理解されたい。逆に、本開示の精神および範囲内に入る全ての修正、同等物、および代替案を対象とすることを意図する。実施例1:側坐核のコリン作動性介在ニューロンを過分極化するための光遺伝学の使用におけるランタニドをドープしたナノ粒子の使用側坐核NAcは、腹側線条体の主要部を形成するニューロンの集合である。NAcは、報酬、喜び、笑い、依存症、攻撃、恐怖、およびプラセボ効果と関連付けられる複雑なほ乳類の挙動において重要な役割を果たすと考えられている。NAc内のコリン作動性介在ニューロンは、局所神経細胞集団の1未満を構成するが、それでもなお、NAcの全体を通して突出し、その既知のコリン作動性入力のみを提供する。この実施例では、ランタニドをドープしたナノ粒子と組み合わせて光応答性塩素ポンプタンパク質を使用する、光遺伝的アプローチは、高い時間分解能および高い細胞型特性の両方を伴って、これらの細胞における活動電位発火を阻止するために使用される。特異的にコリン作動性介在ニューロンにおいて微生物オプシン遺伝子を発現するために、Creリコンビナーゼを発現する遺伝子導入マウス系が、コリンアセチルトランスフェラーゼChATプロモータの下で採用される。強化黄色蛍光タンパク質eYFPのためのコード配列を伴ってフレーム内で融合された、黄色光ゲート第3世代塩素ポンプハロロドプシンeNpHR3.0遺伝子を持つ、Cre誘発性アデノ随伴ウイルスAAVベクターが、定位固定的に注射される。具体的には、マウスに麻酔をし、次いで、定位固定頭部装置に配置する。手術を4~6週齢マウスに行い、眼が乾燥することを防止するように、全体を通して眼軟膏を塗布する。頭皮の正中切開を行い、その後に開頭術が続き、次いで、10μl注射器および34ゲージ金属針を用いてAAVベクターを注射する。注入ポンプによって、注射量および流速0.15μl/分で1μlを制御する。各NAcは、2回の注射注射1:AP1.15mm、ML0.8mm、DV-4.8mm、注射2:AP1.15mm、ML0.8mm、DV-4.2mmを受容する。ウイルス注射および線維位置は、事実上シェル全体が刺激されるように選択される。次に、針を引き出す前に、NaYF4:Yb/Er/Gdナノ粒子をNacに注射する。3.4、8.5、または17nmolの濃度のNaYF4:Yb/Er/Gdナノ粒子が使用される。AAVベクターおよびランタニドをドープしたナノ粒子の両方の注射が完了した後に、針を定位置でさらに5分間残し、次いで、非常にゆっくりと引き出す。回復期間後、マウスに再び麻酔し、マウスの頭蓋骨を薄くし、電磁放射線のNIR源を薄くなった頭蓋骨領域に隣接して配置する。光刺激を使用して、以前に説明された方法Gradinaruetal.,J.Neurosci.,27,14231-142382007に基づいて、同時NIR刺激および細胞外電気的記録を行う。電極は、電極の先端が300~500μmだけ線維を超えて突出している状態で、タングステン電極1MΩ、.005in、パリレン絶縁から成る。電極を、約100μm増分でNAcを通して低減し、NIR上方変換光応答を、各増分で記録する。デジタル化し、ディスクに記録する前に、信号を増幅し、帯域通過フィルタにかける300Hz低カットオフ、10kHz高カットオフ。各部位において、5回の刺激反復を提示して保存する。本発明を純粋に例示することを目的とし、したがって、決して本発明を限定すると見なされるべきではない、実施例はまた、上記で論議される本発明の態様および実施形態を説明および詳述する。先述の実施例および詳細な説明は、限定ではなく例証として提供される。本明細書で引用される出版物、特許出願、および特許は、各個別出版物、特許出願、または特許が、参照することにより組み込まれると特異的および個別に示されたかのように、参照することにより本明細書に組み込まれる。具体的には、本明細書で引用される全ての出版物は、本発明と関連して使用され得る組成物および方法を説明および開示する目的で、参照することにより本明細書に明示的に組み込まれる。先述の発明は、理解を明確にする目的で、例証および一例として、いくらか詳細に説明されているが、本発明の教示に照らして、添付の請求項の精神または範囲から逸脱することなく、ある変更および修正が行われてもよいことが、当業者に容易に明白となるであろう。"