使用基因編碼的熒光探針可以在突觸和細(xì)胞分辨率下監(jiān)測(cè)體內(nèi)神經(jīng)元信號(hào)，這是揭示動(dòng)物神經(jīng)活動(dòng)復(fù)雜機(jī)制的關(guān)鍵。使用雙光子顯微鏡（2PM）可以以亞細(xì)胞分辨率對(duì)鈣離子傳感器和谷氨酸傳感器成像，從而測(cè)量不透明大腦深處的活動(dòng)；成像膜電壓變化能直接反映神經(jīng)元活動(dòng)，但神經(jīng)元活動(dòng)的速度對(duì)于常規(guī)的2PM來說太快。目前電壓成像主要通過寬場(chǎng)顯微鏡實(shí)現(xiàn)，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(duì)膜電壓變化進(jìn)行成像，需要明顯提高2PM的成像速率。使用雙光子顯微鏡觀察標(biāo)本的時(shí)候，只有在焦平面上才有光漂白和光毒性。激光掃描多光子顯微鏡成像分辨率

比較兩表格中的相關(guān)參數(shù)可以看出，基于分子光學(xué)標(biāo)記的成像技術(shù)已經(jīng)在生物活檢和基因表達(dá)規(guī)律方面展示了較大的優(yōu)勢(shì)。例如，正電子發(fā)射斷層成像（PET）可實(shí)現(xiàn)對(duì)分子代謝的成像，空間分辨率∶1-2mm，時(shí)間分辨率;分鐘量級(jí)。與PET比較，光學(xué)成像的應(yīng)用場(chǎng)合更廣（可測(cè)量更多的參數(shù)，請(qǐng)參見表1-1），且具有更高的時(shí)間分辨率（秒級(jí)），空間分辨率可達(dá)到微米。因此，二者相比，雖然光學(xué)成像在測(cè)量深度方面不及PET，但在測(cè)量參數(shù)種類與時(shí)空分辨率方面有一定優(yōu)勢(shì)。對(duì)于小動(dòng)物（如小白鼠）研究來說，光學(xué)成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)小動(dòng)物整體成像和在體基因表達(dá)成像。例如，初步研究表明，熒光介導(dǎo)層析成像可達(dá)到近10cm的測(cè)量深度;基于多光子激發(fā)的顯微成像技術(shù)可望實(shí)現(xiàn)小鼠體內(nèi)基因表達(dá)的實(shí)時(shí)在體成像。美國(guó)全自動(dòng)多光子顯微鏡成像分辨率多光子激光掃描顯微鏡更能解決生物組織中深層物質(zhì)的層析成像問題, 擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

2020年，JianglaiWu等人提出提高2PM橫向掃描速率的裝置，稱為FACED（free-spaceangular-chirp-enhanceddelay）。圓柱透鏡將激光束一維聚焦，會(huì)聚角為Δθ。光束進(jìn)入到一對(duì)幾乎平行的高反射鏡中，其間距為S，偏角為α。經(jīng)過反射鏡多次反射后，激光脈沖被分成多個(gè)傳播方向不同的子脈沖（N=Δθ/α），脈沖間以2S/c的時(shí)間延遲（c，光速）回射。FACED模塊輸出處的子脈沖序列可以看作從虛擬光源陣列發(fā)出的光，這些子脈沖在中繼到顯微鏡物鏡后形成了一個(gè)空間上分離且時(shí)間延遲的焦點(diǎn)陣列。然后將該模塊并入具有高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)雙光子熒光顯微鏡中。光源是具有1MHz重復(fù)頻率的920nm的激光器，通過FACED模塊可產(chǎn)生80個(gè)脈沖焦點(diǎn)，其脈沖時(shí)間間隔為2ns。這些焦點(diǎn)是虛擬源的圖像，虛擬源越遠(yuǎn)，物鏡處的光束尺寸越大，焦點(diǎn)越小。光束沿y軸比x軸能更好地充滿物鏡，從而導(dǎo)致x軸的橫向分辨率為0.82μm，y軸的橫向分辨率為0.35μm。

多光子顯微鏡因擁有較深的成像深度，和較高的對(duì)比度在生物成像中有著重要的意義，但是它通常需要較高的功率。結(jié)合時(shí)間上展開的超短脈沖可以實(shí)現(xiàn)超快的掃描速度和較深的成像深度，但是其本身所利用的近紅外波段的光會(huì)導(dǎo)致分辨率較低。清華大學(xué)陳宏偉教授和北京大學(xué)席鵬研究員合作研究，結(jié)合了結(jié)構(gòu)光成像和上轉(zhuǎn)化粒子，開發(fā)了一種基于多光子上轉(zhuǎn)化材料和時(shí)間編碼結(jié)構(gòu)光顯微鏡的高速超分辨成像系統(tǒng)(MUTE-SIM)。它可以實(shí)現(xiàn)50MHz的超高的掃描速度，并突破了衍射極限，實(shí)現(xiàn)了超分辨成像。相較于普通的熒光顯微鏡，該顯微鏡提升了，并且只需要較低的激發(fā)功率。這種超快、低功率、多光子的超分辨技術(shù)，在分辨率高的生物深層組織成像上有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。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。

多束掃描技術(shù)可以同時(shí)對(duì)神經(jīng)元組織的不同位置進(jìn)行成像對(duì)兩個(gè)遠(yuǎn)距離（相距大于1-2mm）的成像部位，通常使用兩條單獨(dú)的路徑進(jìn)行成像；對(duì)于相鄰區(qū)域，通常使用單個(gè)物鏡的多光束進(jìn)行成像。多光束掃描技術(shù)必須特別注意激發(fā)光束之間的串?dāng)_問題，這個(gè)問題可以通過事后光源分離方法或時(shí)空復(fù)用方法來解決。事后光源分離方法指的是用算法來分離光束消除串?dāng)_；時(shí)空復(fù)用方法指的是同時(shí)使用多個(gè)激發(fā)光束，每個(gè)光束的脈沖在時(shí)間上延遲，這樣就可以暫時(shí)分離被不同光束激發(fā)的單個(gè)熒光信號(hào)。引入越多路光束就可以對(duì)越多的神經(jīng)元進(jìn)行成像，但是多路光束會(huì)導(dǎo)致熒光衰減時(shí)間的重疊增加，從而限制了區(qū)分信號(hào)源的能力；并且多路復(fù)用對(duì)電子設(shè)備的工作速率有很高的要求；大量的光束也需要更高的激光功率來維持近似單光束的信噪比，這會(huì)容易導(dǎo)致組織損傷。多光子顯微鏡之類的先進(jìn)光學(xué)技術(shù)能夠在活生物體的大腦表面下更深地成像。靈長(zhǎng)類多光子顯微鏡原理

多光子激光掃描顯微鏡是建立在激光掃描顯微鏡技術(shù)基礎(chǔ)上的實(shí)驗(yàn)方法，三維觀察上提供更的光學(xué)切片能力。激光掃描多光子顯微鏡成像分辨率

多光子顯微鏡成像深度深、對(duì)比度高，在生物成像中具有重要意義，但通常需要較高的功率。結(jié)合時(shí)間傳播的超短脈沖可以實(shí)現(xiàn)超快的掃描速度和較深的成像深度，但近紅外波段的光本身會(huì)導(dǎo)致分辨率較低?；诙喙庾由限D(zhuǎn)換材料和時(shí)間編碼結(jié)構(gòu)光顯微鏡的高速超分辨成像系統(tǒng)(MUTE-SIM)是由清華大學(xué)教授和北京大學(xué)彭研究員合作開發(fā)的?？蓪?shí)現(xiàn)50MHz的超高掃描速度，突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)超分辨率成像。與普通熒光顯微鏡相比，該顯微鏡經(jīng)過改進(jìn)，只需要較低的激發(fā)功率。這種超快、低功耗、多光子超分辨率技術(shù)在高分辨率生物深層組織成像中具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。激光掃描多光子顯微鏡成像分辨率