使用基因编码的荧光探针可以在突触和细胞分辨率下监测体内神经元信号，这是揭示动物神经活动复杂机制的关键。使用双光子显微镜（2PM）可以以亚细胞分辨率对钙离子传感器和谷氨酸传感器成像，从而测量不透明大脑深处的活动；成像膜电压变化能直接反映神经元活动，但神经元活动的速度对于常规的2PM来说太快。目前电压成像主要通过宽场显微镜实现，但它的空间分辨率较差并且于浅层深度。因此要在不透明的大脑中以高空间分辨率对膜电压变化进行成像，需要明显提高2PM的成像速率。多光子显微镜可以进行深层成像，且具有三维成像的能力，可以应用于拍摄不透明的厚样品。布鲁克多光子显微镜代理商
与传统的单光子宽场荧光显微镜相比，多光子显微镜(MPM)具有光学切片和深度成像的功能，极大地促进了研究人员对整个大脑深部神经的认识。2019年，JeromeLecoq等从脑深部神经元成像、大数量神经元成像、高速神经元成像三个方面讨论了相关的MPM技术。为了将神经元活动与复杂行为联系起来，通常需要对大脑皮层深处的神经元进行成像，这就要求MPM具备深度成像的能力。激发光和发射光会被生物组织高度散射和吸收，这是限制MPM成像深度的主要因素。虽然增加激光强度可以解决散射问题，但会带来其他问题，如烧焦样品、散焦和近表面荧光激发。增加MPM成像深度的比较好方法是使用更长的波长作为激发光。另外，对于双光子（2P）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（3P）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。 美国高速高分辨率多光子显微镜实验多光子显微镜的大多数补偿器都采用棱镜。
多光子激发在紫外成像的优势在可见光脉冲中能得到紫外衍射的显微观察像。即使不使用紫外域光源、光学元件用可见光源、光学元件就能得到紫外光激励的高空间分辨率图像。多光子在生物成像中的优势在生物显微镜观察方面，较早考虑的是不损坏生物本身的活性状态，维持水分、离子浓度、氧和养分的流通。在光观察场合，无论是热还是光子能量方面都必须停留在细胞不受损伤的照射量、光能量内。多光子显微镜则能够满足此，而且还具有很多优点。如三维分辨率、深度侵入、在散射效率、背景光、信噪比、控制等方面，均有以往激光显微镜不具备，或具有无法比拟的超越特性。
随着生物分子光学标记技术的不断进步，光学技术在揭示生命活动基本规律的研究中正发挥越来越重要的作用，也为医学诊疗提供了更多、更有效的手段。生物医学光学（BiomedicalOptics）是近年来受到国际光学界和生物医学界关注的研究热点，在生物活检、光动力、细胞结构与功能检测、基因表达规律的在体研究等问题上取得了一系列研究成果，目前正在从宏观到微观上对大脑活动与功能进行多层面的研究。细胞重大生命活动（包括细胞增殖、分化、凋亡及信号转导）的发生和调节是通过生物大分子间（如蛋白质-蛋白质、蛋白质-核酸等）相互作用来实现的。蛋白质作为基因调控的产物，与细胞和机体生理过程代谢直接相关，深入研究基因表达及蛋白质-蛋白质相互作用不仅能揭示生命活动的基本规律，同时也能深入了解疾病发生的分子机理，进而为寻找更有效的药物分子、提高药物筛选和药物设计的效率提供新的方法和思路。多光子激光扫描显微镜已经成为了一个活跃且多产的领域。
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。多光子成像是一种非线性的过程，信号产生要求功率密度达到MW/cm2的量级。美国布鲁克多光子显微镜成像深度
多光子显微镜之类的先进光学技术能够在活生物体的大脑表面下更深地成像。布鲁克多光子显微镜代理商
通过添加FACED模块，可以将基于标准振镜的现有2PM轻松转换为千赫兹成像系统。FACED双光子荧光显微镜遵循光栅扫描，需要很少的计算处理，在稀疏或密集的标记样本中均可以使用，并且不受串扰的影响，而且对整个图像平面采样后可以进行运动校正。实验中没有观察到光损伤的迹象，此外，子脉冲延迟到达相同的样品位置，能为荧光团提供充足的时间使其从易于破坏的暗态返回到基态，可以明显减少光漂白。使用现有的传感器，FACED双光子荧光显微镜可以提供足够的速度和灵敏度来检测神经元过程中的钙瞬变和谷氨酸瞬变，以及来自细胞体的尖峰和亚阈值电压。该组使用基于FACED的2PM显微镜，在小鼠大脑中实现了千赫兹速率的神经活动成像。在物镜平均激光功率为10-85mW下，他们测量了清醒小鼠中V1神经元的自发性和感觉诱发性的超阈值和亚阈值电位活动。布鲁克多光子显微镜代理商
