动物是由大量的不同细胞类型构成，诸如血细胞、心脏细胞、肾细胞，等等。同样的原理也适用于中枢神经系统。在神经系统中，可能有多达1000种不同亚类型的神经细胞和配角——胶质细胞和星形胶质细胞。每种细胞类型由特定的分子标记、神经元形态、位置、突触架构以及输入-输出加工所定义。在视网膜上，大约有60种神经细胞类型，每一种完全铺满视觉空间（这意味着视觉空间中每一个点至少由每种类型的一个细胞所加工）。这个数字大概对任何一个脑区而言都是有代表性的。

不同类型的细胞以特定的方式被连接。在新皮层中有一个较深的第5层，该层的锥体神经元的细如蛛丝的输出线（即轴突）蜿蜒伸至相隔较远的中脑内的丘系（colliculus），同时一个附近的锥体细胞的轴突在发送其峰值穿过胼胝体到达另一个皮层半球之前使侧枝进入其直接的相邻区域。可是还有一个锥体细胞向后传递其信息至丘脑，通过一个复本（经由一个分支轴突）传递到网状核。一个合理的推测是：每种细胞类型都向其目标传达了一个独一无二的信息（否则一个分叉去激活不同目标的单一轴突就足够了），而且还有许多局部的、受抑制的中间神经元，每个都有其自身独特的减弱其目标的方式。所有这一切都有利于一个与大量组合回路图案交互作用的非常丰富的细胞-细胞基质。想象一个由1000种颜色、形状和大小各异的不同乐高积木（LEGO）砌成的建筑体。人的大脑皮层包含选自这些类型的160亿块积木，这些积木根据难以置信的精细规则组装在一起，诸如只有在它临近出现一个黄的2×2瓦片和一个绿的2×6的块时，一个红的2×4的砖块才与一个蓝的2×4的砖块连结。由此在脑中形成的互联性是极为复杂的。

诸如功能磁共振成像（fMRI）的容积组织技术能可靠地识别出哪些脑区与视觉、图像、痛苦或记忆有关，这是颅相学思维的复活。脑成像记录100万个神经元的动力功耗，而不论它们是兴奋还是抑制，是局部投射还是全局投射，是锥体神经元还是多棘的星状细胞，都无法分辨极为重要的回路层次的细节，因此它们不足以应对当前任务。

随着我们对脑的理解的成熟，我们想要干预和改善许多使心智深受其害的病理状态的愿望也在相应地增强。可是今日的工具——药物、脑深处电刺激和经颅磁刺激，还很简陋、迟钝并且有许多不良的副作用。我加州理工学院的同事大卫·安德森（David Anderson）把它们比作试图给引擎注满油来改变汽车的油料状况：其中的确有一些最终会渗到恰当的地方，但大部分油流到的地方所造成的结果是弊大于利。

一项融合分子生物学、激光和光学纤维的技术突破，被称之为光遗传学（optogenetics）。它是根据三位致力于单细胞绿藻的光感受器研究的德国生物物理学家——彼得·赫格曼（Peter Hegemann）、欧内斯特·班贝克（Ernst Bamberg）和乔治·内格尔（Georg Nagel）的根本发现提出来的。这些光感受器直接（而不是间接，就像你眼睛中的那些光感受器）将进入的蓝色光转换成兴奋的、正向的电信号。这三个人将这种蛋白质基因——一个跨越所谓光敏感通道-2（ChR2）的神经元膜的光学门控离子通道隔离。班贝克和内格尔随后与来自斯坦福大学的神经病学家和神经生物学家卡尔·戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）以及目前在麻省理工学院工作的神经工程师艾德·博伊登（Ed Boyden）进行了富有成效的合作。

该团队提取了ChR2基因，将其植入到一个小病毒中，并借助这个病毒感染神经元。许多神经元接受外来指令，合成ChR2蛋白质，并将不合适的光感受器纳入它们的膜中。在黑暗中，感受器静静地呆在那里，对宿主细胞无明显影响。但是一闪而过的蓝光的照射会使每一个细菌光感受器都轻微影响其宿主细胞，它们的集体行动会产生一个动作电位。每次当这个灯被打开时，细胞就会可靠地、精确地发放一次峰值。因此，通过蓝光精确地定时穿刺，神经元会受驱动从而发放峰值。