使用基因編碼的熒光探針可以在突觸和細胞分辨率下監測體內神經元信號，這是揭示動物神經活動復雜機制的關鍵。使用雙光子顯微鏡（2PM）可以以亞細胞分辨率對鈣離子傳感器和谷氨酸傳感器成像，從而測量不透明大腦深處的活動；成像膜電壓變化能直接反映神經元活動，但神經元活動的速度對于常規的2PM來說太快。目前電壓成像主要通過寬場顯微鏡實現，但它的空間分辨率較差并且于淺層深度。因此要在不透明的大腦中以高空間分辨率對膜電壓變化進行成像，需要明顯提高2PM的成像速率。多光子顯微鏡的發展歷史充滿了貢獻、開發、進步和數個世紀以來多個來源和地點的改進。激光掃描多光子顯微鏡成像精度

某種物質能產生熒光，首要條件是分子必須具有吸收的結構，即生色團（分子中具有吸收特征頻率的光能的基團）。其次，該物質必須具有一定的量子產率和適宣的環境。我們把分子中發射熒光的基團稱為熒光團。熒光團一定是生色團，但生色團不一定是熒光團。因為，如果生色團的量子產率等于零，就不能發射出熒光，處于激發態的分子，可以由許多方式（如熱，碰撞）把能量釋放出來，發射熒光只是其中的一種方式。此外，一種物質吸收光的能力及量子產率又與物質所處的環境密切相關。布魯克多光子顯微鏡設備未來國產多光子激光掃描顯微鏡替代空間大。

要想實現離散的軸向重新聚焦，需要在OBJ1的焦平面中放置一個階梯鏡（圖3b）。當入射激光束被OBJ1聚焦到的焦平面恰好與階梯重合時，被反射的激光將在無窮大的空間中成為準直光束，并在OBJ2的焦平面上形成激光光斑。并且返回的激光束會被GSM消除橫向掃描，即OBJ2形成的焦點不會進行橫向掃描，實現軸向掃描。如果激光點被掃描到與焦平面不一致的階梯，則會形成遠離鏡面的激光焦點，返回的激光束會在無窮大的空間中會聚或發散，進而導致由OBJ2形成的激光焦點也在軸向重新聚焦，通過這種方式即能實現離散的軸向掃描。對于已精確匹配兩個物鏡光瞳的光學裝置，不會引入像差。為了進行連續的軸向重新聚焦，將階梯鏡替換為稍微傾斜的平面鏡，同時入射的激光焦點也需要被傾斜，使得其以垂直于鏡面的方向入射，通過相對入射激光束稍微平移OBJ1即可實現這種傾斜。

    與傳統的單光子寬場熒光顯微鏡相比，多光子顯微鏡(MPM)具有光學切片和深度成像的功能，極大地促進了研究人員對整個大腦深部神經的認識。2019年，JeromeLecoq等從腦深部神經元成像、大數量神經元成像、高速神經元成像三個方面討論了相關的MPM技術。為了將神經元活動與復雜行為聯系起來，通常需要對大腦皮層深處的神經元進行成像，這就要求MPM具備深度成像的能力。激發光和發射光會被生物組織高度散射和吸收，這是限制MPM成像深度的主要因素。雖然增加激光強度可以解決散射問題，但會帶來其他問題，如燒焦樣品、散焦和近表面熒光激發。增加MPM成像深度的比較好方法是使用更長的波長作為激發光。另外，對于雙光子（2P）成像而言，離焦和近表面熒光激發是兩個比較大的深度限制因素，而對于三光子（3P）成像這兩個問題大大減小，但是三光子成像由于熒光團的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高數量級的脈沖能量才能獲得與2P激發的相同強度的熒光信號。 雙光子共聚焦顯微鏡比單光子共聚焦顯微鏡具有更亮的橫向分辨率和縱向分辨率。

快速光柵掃描有多種實現方式，使用振鏡進行快速2D掃描，將振鏡和可調電動透鏡結合在一起進行快速3D掃描，但可調電動透鏡由于機械慣性的限制在軸向無法快速進行焦點切換，影響成像速度，現可使用空間光調制器（SLM）代替。遠程聚焦也是一種實現3D成像的手段，如圖2所示。在LSU模塊中，掃描振鏡進行橫向掃描，ASU模塊包括物鏡L1和反射鏡M，通過調控M的位置實現軸向掃描。該技術不僅可以校正主物鏡L2引入的光學像差，還可以進行快速的軸向掃描。想要獲得更多神經元成像，可以通過調整顯微鏡的物鏡設計來擴大FOV，但是具有大NA和大FOV的物鏡通常重量較大，無法快速移動以進行快速軸向掃描，因此大型FOV系統依賴于遠程聚焦、SLM和可調電動透鏡。多光子顯微鏡之類的先進光學技術能夠在活生物體的大腦表面下更深地成像。布魯克多光子顯微鏡成像深度

多光子顯微鏡被認為是、完整生物組織成像的手段之一，其成像尺度從分子級別到整個有機體。激光掃描多光子顯微鏡成像精度

ＳｔｅｒｎａｎｄＪｅａｎＭａｒｘ在評論中說：祖家能夠在更為精細的層次研究樹突的功能，這在以前是完全不可能的。新的技術（如腦片的膜片鉗和雙光子顯微使人們對樹突的計算和神經信號處理中的作用有了更好的理解。他們解釋了是樹突模式和形狀多樣性，及其獨特的電、及其獨特的電化學特征使神經元完成了一系列的專門任務。雙光子與共聚焦在發育生物學中的應用雙光子∶ 每2.5分鐘掃描一次，觀察24小時，發育到桑椹胚和胚泡階段共聚焦∶每15分鐘掃描一次，觀察8小時后細胞分裂停止，不能發育到桑椹胚和胚泡階段共聚焦激發時的細胞存活率為多光子系統的10～20%。激光掃描多光子顯微鏡成像精度