光遗传学的核心在于利用分子生物学手段将外源光敏蛋白基因导入活细胞中，使光敏蛋白在目的细胞中表达。通过特定波长的光激活这些光敏蛋白，可以实现对神经元活动的精确控制。其基本原理主要有两个方面：

1、神经元膜电位：细胞膜内外各种离子的分布不均衡及细胞膜对不同离子的选择性，是形成膜电位的基础。在静息状态下，细胞膜对钾离子（K⁺）有较高的通透性，且膜内K⁺浓度高于膜外，导致K⁺顺着浓度差向膜外扩散。由于细胞膜对阴离子几乎没有通透性，膜内阴离子聚集在胞内，从而形成膜内为负、膜外为正的电位差。当神经元受到刺激而兴奋时，细胞膜上的阳离子通道打开，大量阳离子（如Na+）内流，形成内正外负的电位差，即动作电位。

2、光敏蛋白的工作机制：光敏蛋白通过吸收不同波长的激发光而打开离子通道，选择性地允许阳离子或阴离子通过（如Na+、K+、Ca2+、H+、Cl-），使得膜电位发生变化，从而激活或抑制神经活动。