Le Prof Carleton a effectué sa thèse en France, à l'institut Pasteur et au CNRS. Il a notamment étudié comment de nouveaux neurones issus de cellules souches se développent dans le cerveau adulte. Après un séjour postdoctoral à l'institut Max-Planck de Heidelberg, où il a étudié comment le cerveau perçoit les odeurs, il a rejoint l'EPFL pour y développer son groupe de recherche. Depuis 2008, il a rejoint la Faculté de médecine en tant que professeur bousier du fond national Suisse. Son laboratoire étudie le fonctionnement du cerveau ainsi que les dysfonctionnements associés à certaines maladies psychiatriques.