基于多光子显微镜的神经成像技术原理：多光子显微镜可用于深度成像和三维成像，因此可用于拍摄不透明的厚样品。目前主要使用的多光子显微镜包括双光子显微镜和三光子显微镜。双光子显微镜的结构与共焦类似，区别在于：1)双光子显微镜的激发光波长比共焦长，能量较低，但穿透能力较强；2)双光子显微镜没有小孔，提高了检测效率；3)双光子显微镜成像深度较快提高。那么，为什么双光子能具有共焦显微镜所没有的优势呢？原因是它采用双光子激发方式。使用波长较长的激发光子，光子的能量较低，因此电子需要吸收两个这样的激发光子才能达到激发态，从而释放出一个荧光光子。因此，荧光信号的强度与光强的平方成正比。因为焦点处的光强较大，只能在焦点处激发荧光。波长越长，穿透力越强，因此双光子显微镜的成像深度大于共焦显微镜。由于两个光子只在焦点激发荧光，不需要小孔，而是将所有的荧光都收集起来，提高了检测效率。三光子显微镜的原理类似于双光子显微镜，利用三个激发光子可以实现更深的成像深度。由于使用了更长的激发波长，穿透能力更强，成像深度更大。此外，由于较强的非线性效应，荧光信号的强度与光强的立方成正比，因此比双光子具有更低的非聚焦激发和背景噪声。 多光子共聚焦扫描显微镜比双光子共聚焦扫描显微镜具有更高的空间分辨率。美国布鲁克多光子显微镜层析成像
Ca2+是重要的第二信使，对于调节细胞的生理反应具有重要的作用，开发和利用双光子荧光显微成像技术对Ca2+荧光信号进行观测，可以从某些方面对有机体或细胞的变化机制进行分析，具有重要的意义。利用双光子荧光显微成像技术可以观察细胞内用荧光探针标记的 Ca2*的时间和空间的荧光图像的变化，还可以观察细胞某一层面或局部的（Ca2+）荧光图像和变化。通过对单细胞的研究发现，Ca2+不仅在细胞局部区域间的分布是不均匀的，而且细胞内各局部区域的不同深度或层次间也存在不同程度的 Ca2+梯差即所谓的空间 Ca2梯差。美国多光子显微镜系统双光子荧光显微镜是结合了激光扫描共聚焦显微镜和双光子激发技术的一种新技术。
对于双光子成像而言，离焦和近表面荧光激发是两个比较大的深度限制因素，而对于三光子成像这两个问题大大减小，但是三光子成像由于荧光团的吸收截面比2P要小得多，所以需要更高数量级的脉冲能量才能获得与2P激发的相同强度的荧光信号。功能性3P显微镜比结构性3P显微镜的要求更高，它需要更快速的扫描，以便及时采样神经元活动；需要更高的脉冲能量，以便在每个像素停留时间内收集足够的信号。复杂的行为通常涉及到大型的大脑神经网络，该网络既具有局部的连接又具有远程的连接。要想将神经元活动与行为联系起来，需要同时监控非常庞大且分布普遍的神经元的活动，大脑中的神经网络会在几十毫秒内处理传入的刺激，要想了解这种快速的神经元动力学，就需要MPM具备对神经元进行快速成像的能力。快速MPM方法可分为单束扫描技术和多束扫描技术。
2020年，TonmoyChakraborty等人提出了一种加快2PM轴向扫描速度的方法[2]。在光学显微镜中，物镜或样品的缓慢轴向扫描速度限制了体积成像的速度。近年来，通过使用远程聚焦技术或电可调谐透镜（ETL）已经实现了快速轴向扫描；但是，远程聚焦中反射镜的机械驱动会限制轴向扫描速度，ETL会引入球面像差和更高阶像差，从而无法进行高分辨率成像。为了克服这些局限性，该组引入了一种新颖的光学设计，能将横向扫描转换为可用于高分辨率成像的无球差的轴向扫描。该设计有两种实现方式，第一种能够执行离散的轴向扫描，另一种能够进行连续的轴向扫描。具体装置如图3a所示，由两个垂直臂组成，每个臂中都有一个4F望远镜和一个物镜。远程聚焦臂包含一个检流扫描镜（GSM）和一个空气物镜（OBJ1），另一个臂（称为照明臂）由一个水浸物镜（OBJ2）构成。将这两个臂对齐，以使GSM与两个物镜的后焦平面共轭。准直的激光束被偏振分束器反射到远程聚焦臂中，GSM对其进行扫描，进而使得OBJ1产生的激光焦点进行横向扫描。多光子显微镜作为神经科学重要的研究工具，近年来发展快速，品牌也众多。
多光子显微镜因拥有较深的成像深度，和较高的对比度在生物成像中有着重要的意义，但是它通常需要较高的功率。结合时间上展开的超短脉冲可以实现超快的扫描速度和较深的成像深度，但是其本身所利用的近红外波段的光会导致分辨率较低。清华大学陈宏伟教授和北京大学席鹏研究员合作研究，结合了结构光成像和上转化粒子，开发了一种基于多光子上转化材料和时间编码结构光显微镜的高速超分辨成像系统(MUTE-SIM)。它可以实现50MHz的超高的扫描速度，并突破了衍射极限，实现了超分辨成像。相较于普通的荧光显微镜，该显微镜提升了，并且只需要较低的激发功率。这种超快、低功率、多光子的超分辨技术，在分辨率高的生物深层组织成像上有着长远的应用前景。 双光子显微镜采用长波长激发。布鲁克多光子显微镜配置
多光子显微镜市场集中，由于投产生产的成本较高，技术难度大，目前涌现的新企业不多。美国布鲁克多光子显微镜层析成像
比较两表格中的相关参数可以看出，基于分子光学标记的成像技术已经在生物活检和基因表达规律方面展示了较大的优势。例如，正电子发射断层成像（PET）可实现对分子代谢的成像，空间分辨率∶1-2mm，时间分辨率;分钟量级。与PET比较，光学成像的应用场合更广（可测量更多的参数，请参见表1-1），且具有更高的时间分辨率（秒级），空间分辨率可达到微米。因此，二者相比，虽然光学成像在测量深度方面不及PET，但在测量参数种类与时空分辨率方面有一定优势。对于小动物（如小白鼠）研究来说，光学成像技术可以实现小动物整体成像和在体基因表达成像。例如，初步研究表明，荧光介导层析成像可达到近10cm的测量深度;基于多光子激发的显微成像技术可望实现小鼠体内基因表达的实时在体成像。美国布鲁克多光子显微镜层析成像
